为了提高疲劳强度必须在材料表面上产生较大的塑性变形,喷丸强化处理般在常温下进行,研究发现通过改变材料的表面状态,如应力或温度等,可以提高喷丸强化的效果。材料在加热状态下进行喷丸处理,则可以降低材料在喷丸过程中的变形抗力,从而获得更大的塑性变形层,但是为了加大塑性变形量而过髙的提高喷丸时材料的温度,材料则会产生回复现象而大幅度降低喷丸强化层的残余压应力。

本节在室温、200℃、400℃、600℃和800℃温度下(热喷丸处理时试样在对应喷丸温度保温2h),采用铸钢丸喷丸1min,对T-48A1-2Cr-2b合金进行喷丸处理。

1、不同温度喷丸后合金表面显微裂纹喷丸

处理时高速弹丸撞击材料表面具有强化材料表层的作用,与此同时所引发的喷丸弱化机制,是在喷丸时由高速弹丸撞击可能引发喷丸表面微裂纹的产生。本节研究喷丸温度对T-48A1-2C-2Nb合金裂纹的影响,如图3-1所示,是合金在不同温度下喷丸后的横截面显微照片,图中黑箭头所指向的就是喷丸处理过程中造成的喷丸表面微裂纹。

由图3-1a)可以看出,采用传统喷丸处理工艺的室温下进行喷丸,高速弹丸喷射在受喷合金表面,引起表面微小变形,由于钛铝合金在室温下塑性较差,因此,合金试样在室温喷丸时在表面某些小的缺陷上产生较多的表面微裂纹,合金本身的脆性又为微裂纹的萌生及扩展提供了有利条件,会引起合金材料表面开裂,导致零件失效。

在200℃和400℃下进行喷丸处理时,在喷丸强化层也会产生少量的表面微裂纹,微裂纹向合金基体内部扩展深度大约在10~40m,如图3-1b)、c)所示。在600℃进行喷丸处理时,喷丸表面比较完好,几乎没有表面微裂纹的产生,如图3-1小所示。这是因为随着喷丸处理温度的升高,合金试样可获得更好的塑性和韧性,高温喷丸时在试样近表面容易产生较多的位错,位错密度的增高增加了其运动的阻力,因此大大降低了裂纹源产生的可能性以及其扩展的机率,从而使材料的强度增高。

图3-1e)所示是合金在800℃喷丸,从图中可以看到虽然也有极少量的微小裂纹产生,但随着喷丸温度的升高合金试样的喷丸表面凹凸越来越少,其喷丸表面对比其它几个温度下的喷丸表面较为平整。

从合金试样喷丸表面显微裂纹的角度来看,对钛铝合金在室温下直接进行传统的喷丸处理或在较低温度下进行喷丸处理时,由于在低温时材料具有较差的塑性使微裂纹的产生及扩展相对容易,而出现较多的表面微裂纹,这些微裂纹会引起其作为工件时表面开裂,会导致过早疲劳甚至报废。因此,在600℃至800℃间进行喷丸温度比较合适。

2、不同温度喷丸后合金的显微硬度

硬度是喷丸材料表面力学性能的综合性指标,受多种因素影响,喷丸处理通过改善形变层内的组织结构以及喷丸残余压应力,从而提高了材料的表面力学性能。喷丸处理引起的组织结构变化,包括品块的细化、位错密度和显微畸变的增大等,显著提高了材料形变层的硬度,喷丸残余压应力越大也提高材料喷丸表层的硬度,喷丸强化效果就越显著。喷丸表层显微硬度的提高,明显提高了材料疲劳强度以及服役寿命,还可以适当提高材料做为零部件时的耐磨损性能,因此,本硏宄中以显微硬度的提高来表征喷丸处理后材料的力学性能强化效果

图3-2是不同喷丸温度条件下,形变层显微硬度随层深度的变化曲线。

从图中明显可以看出,喷丸强化处理大大提高了合金的表面硬度,提高幅度在HV120到HV00之间,且随着喷丸层深度的增加显微硬度值逐渐下降直至基体硬度值后趋于平稳。

喷丸处理通常在常温进行,而升高处理温度使合金在加热状态下进行可以降低合金的变形抗力,获得较大的塑性变形,而热喷丸也可以使合金产生较大的残余应力,这些都大大提高了喷丸处理的强化效果。在室温进行喷丸处理时,显微硬度值的提高较小,明显低于其它喷丸温度下获得的显微硬度值,仅达到ⅣV32046;随着喷丸温度的升高,喷丸强化层显微硬度值增大,喷丸温度为200℃和400℃时材料近表层硬度值依次提高至Hv376.09、HV38944当喷丸处理温度为600℃时,材料的近表层显微硬度值提高幅度最大,达到最大值v39353;800℃喷丸处理时的显微硬度值为班Vv386.65,略微有所下降,但仍然优于低温喷丸所获得的显微硬度值。

因此,高温喷丸可以获得更大的表面硬度,这主要是因为合金在高温时具有较好的塑性,在高温喷丸时塑性变形容易,而变形层中能够形成高密度位错和大量变形孪品,随着位错的增多位错运动越困难,增加了位错运动的阻力位错间相互相作用提高了材料塑性变形所需要的外力,从而提高材料硬度。随着喷丸层深度增加,塑性变形量逐渐减小,进入到塑性变形与基体组织的过渡区域,强化作用逐渐减弱,硬度值随之降低,最终接近于基体硬度值王V200。

合金试样显微硬度随喷丸层深的变化也可以直接体现出喷丸强化层的厚度。从图3-2中可以看出,硬度曲线从左向右越来越接近水平,在喷丸强化层深度达0.6mm之后的硬度值变化不大,即喷丸强化层约为0.6mm。因此,从合金试样喷丸表面显微硬度角度来看,在较高温度下进行喷丸处理材料获得更好的喷丸强化效果。