在航空航天領域，關鍵部件的制作材料多為鈦合金，每年在復雜服役環(huán)境下，部件 80%的失效是疲勞破 壞[1]，表現(xiàn)形式如疲勞斷裂、磨損、腐蝕等等，這些破壞所帶來的損失是巨大的。為改善航空 TC4 構件的 疲勞破壞性能，通常我們要對其進行改性。目前改性的方法主要有兩種，其一是以合金化的方式即在冶煉的 過程中加入某些特定的元素來提高所需材料的某種性能；其二是對已經成型的胚料或工件進行特殊處理，最 常見的就是表面強化[3]。這兩種方法相比較來說，后者成本更低、適用范圍廣、并且隨著研究的不斷深入 和發(fā)展，技術手段也更加智能化、多樣化。目前常見的表面強化處理工藝有滾磨[4-5](Mass Finishing, MF)、噴丸[6](Shot Peening, SP)等。

噴丸強化技術是一種通過高速沖擊的丸料使金屬表面發(fā)生塑性變形，從而達到強化作用的工藝方法。對 于噴丸強化，國內外已有很多研究但研究對象以鋼材料為主，針對航空鈦合 金材料的噴丸研究相對較少。張亞龍等[7]采用噴丸工藝對 Cr-Ni-Mo 系高強鋼進行強化處理，通過摩 擦磨損試驗機考察并分析了噴丸前后試樣的摩擦磨損性能，進一步揭示了噴丸工藝的強化機理。AHMED 等 [9]研究了噴丸工藝對 TC4 的強化機理，TC4 鈦合金表層產生了較大的壓應力，這導致疲勞裂紋源難以在基 體表面產生，之后將裂紋源驅趕到次表面的強化層后，疲勞性能提高。滾磨強化是一種較為成熟的表面光整 加工技術，它利用滾拋磨塊與工件間的復雜相對運動，消除工件表面毛刺、氧化物、改變工件形貌、力學性 能、光潔度，從而達到提高工件表面質量的目的。該方法操作簡便、生產成本低、生產效率高，已被廣泛應 用于機加工領域。目前，太原理工大學表面光整技術研究所在國內走在了前列，多年來在加工機理、模擬仿 真及實踐應用等方面都進行了廣泛的研究[10]。高建紅[11]、張曉東[12]從表面粗糙度、硬度、殘余應力、 金相組織等方面研究了滾磨光整加工中鈦合金的表面完整性改善。

現(xiàn)有研究[13-14]結果表明，單一表面強化手段有其優(yōu)勢的同時也存在一定的不足，如滾磨光整加工能 夠在材料表層引入穩(wěn)定性較好的強化層，且其光整效果明顯，能使近表面發(fā)生塑性變形，引起晶粒細化，但 常規(guī)的滾磨強化引入的殘余壓應力層深一般；噴丸強化效率較高，能夠對異性結構件進行有效的表面強化， 但噴丸強化往往會犧牲表面粗糙度，且強化層厚度和表面的塑性變形是不均勻的；激光沖擊強化強化層厚度 大，可在層間產生較大的殘余壓應力，但其表面光整、表層硬化方面沒有明顯作用，強化效率較低。曹子文 等[15]對 TC17 鈦合金開展了激光沖擊和噴丸復合強化，結果表明激光沖擊殘余壓應力的影響層更深，距離 表面 0.1mm 以內的殘余壓應力分布與噴丸近似，0.1mm 以外則受激光沖擊影響，同時復合強化有效提升了 表面殘余應力的均勻性。TAN[16]。等研究了噴丸、超聲滾壓和激光沖擊強化后 TC17 鈦合金表面完整性的 差異，研究發(fā)現(xiàn)，經過超聲滾壓強化處理后，工件的表面粗糙度是最低的，數(shù)值為 0.04~0.12μm，激光沖 擊強化后表面粗糙度則為 0.36~0.72μm；激光沖擊、超 聲 滾 壓 強 化 影 響 層 深 度 分 別 為1.5mm 、0.8mm，激光沖擊影響層深度較大。

為了提升航空鈦合金（TC4）的抗疲勞性能并進一步改善其綜合表面完整性性能，提出了一種將噴丸、 滾磨最優(yōu)參數(shù)進行組合強化的方法。由于滾磨強化表面光整效果顯著，表層形變較均勻，噴丸強化效率高， 將兩種工藝的最優(yōu)參數(shù)進行組合有望能夠將兩者的優(yōu)勢結合起來，在形成較大層深強化層的基礎上，改善表 面光整效果，進一步提高航空鈦合金的表面質量，提升抗疲勞性能。基于此，開展了噴丸、滾磨、組合強化 試驗，利用粗糙度儀、硬度儀、iXRD 殘余應力分析儀等設備，通過表征三種加工工藝在表面完整性指標（ 表面形貌、表面粗糙度、表層殘余應力、微觀組織、表面顯微硬度）上的差別和關聯(lián)，揭示了組合強化后鈦 合金表面完整性的演變規(guī)律，闡明噴丸/滾磨組合強化鈦合金的強化機理。

1、實驗方案

1.1 實驗材料

實驗所用材料均為鑄態(tài)的航空鈦合金（Ti-6Al-4V），零件尺寸見圖 1，材料經過 950℃熱處理 1h、銑削后的表面形貌見圖 2 所示，記為未處理狀態(tài)，表面粗糙度 R_a=0.41。

1.2 實驗方法

噴丸和滾磨組合強化實驗裝置見圖 3 所示，噴丸設備見圖 3(a)，其由手動噴丸機、空壓機、壓氣機組 成，離心式滾磨設備見圖 3(b)所示。噴丸/滾磨組合強化過程中，試樣在完成噴丸強化后進行滾磨光整加工 。試樣按照強化方法共分為 4 部分：1 未處理(NT)、2 噴丸強化(SP)、3 滾磨加工(MF)、4 噴丸/滾磨組合 強化(SP/MF)。最優(yōu)參數(shù)組合強化中噴丸工藝參數(shù)和滾磨光整的工藝參數(shù)與單一的強化工藝保持一致。

噴丸主要參數(shù)[17-19]見表 1。噴丸速度的控制，通過改變噴丸氣壓來改變噴丸速度，根據公式[20]

式 中，v 表示彈丸的初速度（m/s），_ps表示噴丸氣壓（ =0.3 a s p MP ）, Ms 表示彈丸流量（ Ms =20.1kg / min ），D 是彈丸直徑，本次噴丸試驗噴丸直徑選用D mm =0.3，彈 丸 速度經計算： v =40ms。 滾磨具體參數(shù)[10-12]見表 2。

1.3 表面完整性表征的方法

采用 DSX1000 超景深顯微鏡測試試件不同區(qū)域的表面形貌。

依據 GB/T1031-2009《產品幾何技術規(guī)范(GPS)表面結構輪廓法表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》，對已加工 的試件進行了表面粗糙度測試。測試方法：采用 Mahr 400 粗糙度儀對試件不同區(qū)域進行測試，取 Ra 進行 研究，為了確保數(shù)據的準確性，每個測試點測量六次并取平均值作為最終結果。

用 PROTO 公司的 iXRD 殘余應力分析儀對表面殘余應力進行測試，測試中對材料庫參數(shù)進行如下設置 ：輻射類型選擇為 Cu_K-Alpha，點陣選擇HCP 密排六方結構，衍射晶面{101}，Bragg 角 138°。采用 SF-1 型電解拋光盤對試樣進行層層電解，測定試件在層厚方向的殘余應力，電解溶液為飽和氯化鈉溶液。

微觀組織檢測時采用線切割截取試樣，用砂紙將試樣橫截面打磨拋光至鏡面，隨后使用專用腐蝕液腐蝕 試樣 10~15s。采用超景深顯微鏡觀測未處理、噴丸處理、滾磨處理、噴丸/滾磨處理后試樣的微觀組織形貌 。

采用 HM-100 顯微硬度儀測試不同試件的顯微硬度(維氏硬度)。維氏硬度的測定，是用一種具有 136° 頂角的金剛石方錐，在一個負載下，經過一段時間后，測定壓痕的對角線長度，并根據公式求出其硬度值。 試驗前，待測部位要用砂紙打磨拋光；試驗時加載0.98N，靜壓 15S。

2、 實驗結果及分析

2.1 表面形貌

表面形貌是機械加工表面質量的一個重要指標。在試件的服役過程中，由其生產制造過程中的微裂紋等 表面缺陷往往會引起應力集中，對裂紋的萌生和擴展產生促進作用，進而引發(fā)疲勞斷裂。圖 4 是不同加工 工藝處理后航空鈦合金的表面形貌。

未處理狀態(tài)下，見圖 4(a)，即銑削處理狀態(tài)下，試樣表面有較為明顯的溝槽，紋理明顯；噴丸后見圖 4(b)，表面紋理略有改善，但由于噴丸強化的特性，表面形貌的均勻性較差，這可能與噴丸過程中彈丸的非 連續(xù)性作用較強有關；滾磨后見圖 4(c)，表面的溝壑狀紋理減弱，同時材料表面結構的均一性也得到了明 顯改善，這說明滾磨強化對材料表面具有“削峰填谷”的作用，能夠明顯改善表面形貌；噴丸/滾磨組合強 化后見圖 4(d)，表面形貌相較于噴丸強化有了明顯的改善，不均勻性可以得到較好的解決，表面光整效果 得到了提升。綜合對比說明噴丸/滾磨組合工藝能較好的改善試樣的表面形貌，滾磨工藝起主要作用。

2.2 表面粗糙度

粗糙度的降低在一定程度上能夠有效降低應力集中，從而提升材料的抗疲勞性能[21]。圖 5 顯示出在 不同加工工藝處理后，試樣表面粗糙度 Ra 的變化。未處理狀態(tài)下，銑削表面的溝壑較為明顯，表面粗糙度 值為 0.41；相較于未處理狀態(tài)，經噴丸處理后，表面粗糙度提高了 197%左右，滾磨后表面粗糙度減小約 34%；噴丸/滾磨組合強化后，滾磨的光整效果明顯，表面粗糙度減小約 17%，相較于單一噴丸強化和滾磨強 化，表面粗糙度分別下降了 72%和-26%。

噴丸強化的過程中，由于沖擊的不均勻性以及應力波的擴散對表面影響較大，這會導致材料表面不平整 ，粗糙度值增加[22]，且此類現(xiàn)象對于強度、硬度較低的材料更加明顯[23]。滾磨強化的過程中，表面原本 存在的銑削溝壑突起處受到滾拋磨塊的壓力和振動的耦合作用，表面發(fā)生塑性流動，“波峰”與“波谷”的 高程差異顯著縮小，試樣表面變得更加平坦。通過對比未處理與滾磨加工后的表面粗糙度發(fā)現(xiàn)，滾磨強化效 果不明顯，而通過對比噴丸與噴丸/滾磨后的表面粗糙度，結論剛好相反，且有研究表明其與材料初始表面 質量關系較為緊密。當初始表面較光滑或具有較高表面質量時，滾磨強化對其加工質量的影響較小；當初始 表面存在明顯的溝壑，其表面粗糙度值會更大，此時進行滾磨加工，表面粗糙度的影響相對較大。在此基礎 上，通過對四種工況下表面粗糙度的比較，說明了噴丸/滾磨組合強化工藝中將滾磨強化作為最后一道工藝 的有效性與可行性，能夠顯著減少表面粗糙度，減小表面應力集中程度，提升表面質量，提高零件的耐疲勞 能力。

2.3 表層殘余應力

試件在使用過程中，由于殘余壓應力的存在，可以有效地抑制疲勞裂紋的產生與擴展，提高了試件的疲 勞壽命。表層殘余應力特征的定量表征參數(shù)有表面殘余應力值、最大殘余壓應力、殘余壓應力層深等[11]。圖 6 是不同加工工藝處理后試樣表面殘余應力情況。

初始銑削表面存在-413MPa 的殘余壓應力，為后續(xù)強化工藝對殘余壓應力的提升提供了良好條件。噴丸 強化后的殘余壓應力比未處理時提高104%和 127%，軸向殘余應力為-843 MPa，切向殘余應力為-939 MPa； 與未處理相比，滾磨后的軸向殘余壓應力為-632MPa，提高了 53%，且切向壓應力為-480MPa。通過比較軸向 和切向殘余壓應力值，可以得出噴丸強化的均勻性要高于滾磨強化，且與滾磨強化工藝相比，噴丸處理產生 的殘余壓應力較大；噴丸/滾磨組合強化后表面殘余壓應力值相較于單一的噴丸強化略有下降，表面軸向殘 余壓應力值大于切向殘余壓應力值，這與滾磨強化后表面殘余應力的分布規(guī)律類似，說明組合強化后表面殘 余應力受滾磨工藝影響較大。

用電解拋光機將試樣逐層腐蝕，然后再逐層檢測不同深度下的應力值。經過多次測量，發(fā)現(xiàn)由于噴丸（ 滾磨）強化后軸向殘余應力和切向殘余應力沿層深分布規(guī)律近似且軸向殘余應力值較大，故選擇軸向殘余應 力來分析不同表面處理狀態(tài)下殘余應力沿層深的分布規(guī)律[24]。由于實驗中每次電解去層的深度難以準確把 控，通過電解時間控制每次去除的厚度，去除深度誤差范圍為 0.025~0.05mm，每種工藝處理后取 3 個平行 試樣進行測量，將殘余壓應力平均值作為最終結果，測量到殘余壓應力消失為止。圖 7 是不同加工工藝處 理后殘余壓應力平均值與層深的關系圖。

經噴丸處理后，試件表面的殘余壓應力峰值達到-920 MPa，并隨著深度的增大，表層的殘余壓應力逐漸 減小，影響層厚度達到 0.8 mm 左右；經滾磨處理后，試樣的殘余應力呈現(xiàn)“勺型”分布[25]，其最大殘余 應力發(fā)生在試樣的亞表面，達到了-717 MPa，其影響層厚度約為 0.35 mm；這兩種強化方法比較，突出了噴 丸強化在殘余壓應力幅值和影響層厚度方面的優(yōu)越性。

噴丸/滾磨組合工藝后，殘余壓應力幅值從噴丸表層傳遞到次表層，發(fā)生在離表層約 0.1~0.2mm 范圍內 ，其幅值進一步提升至-941MPa，殘余壓應力 幅 值 最 大 ， 且 影 響 層 深 度 高 達0.85mm 左右，與 噴丸處理后的殘余壓應力層深相近，組合強化以后殘余應力層深的分布規(guī)律體現(xiàn)出了兩種工藝相疊加的特點 ，距表面 0.35mm 以內，殘余應力具有相似于滾磨強化的分布規(guī)律；距表面 0.35mm 以外，其分布規(guī)律與單 一的噴丸強化近似，滾磨強化對深層區(qū)域的影響能力較弱。這表明，滾磨表面的殘余壓應力影響層厚度不 大，且主要集中在次表層，而噴丸強化則是影響層厚度的重要因素。

2.4 微觀組織

在微觀晶粒的變化過程中，晶粒結構越小，越能更好的分散材料的塑性變形，其結果會導致更加均勻的 塑性變形以及更少的內應力集中，疲勞性能越好，且晶粒細化程度越明顯，晶界面越多，晶粒與晶粒之間交 錯得越緊密，強度和韌性就越好[20]。圖 8 是不同加工工藝處理后材料橫截面的微觀結構形態(tài)圖。

未處理試樣見圖 8(a)，表現(xiàn)為少量的等軸α相、大量的條狀組織以及少量晶間β相，β相分布在α相 的邊界上，晶粒在銑削力作用下破碎、拉長[26]，晶粒組織較大；噴丸加工后見圖 8(b)，晶粒組織細化明 顯，引入了一定的塑性變形層；滾磨加工后見圖 8(c)，與未處理試樣圖相比，發(fā)生了輕微的晶粒細化現(xiàn)象 ，引入的塑性變形層次于噴丸處理；噴丸/滾磨組合后見圖 8(d)，出現(xiàn)了明顯的晶粒細化現(xiàn)象，引入的塑性 變形層最大。

噴丸與滾磨加工的過程中工件表面連續(xù)不斷地受到丸粒、磨塊的滾壓和撞擊，都可導致不同程度的晶粒 細化，且引入了一定的塑性變形層，通過對比發(fā)現(xiàn)，噴丸/滾磨組合后晶粒細化現(xiàn)象更加明顯、引入了更大 的塑性應變層。

2.5 表面顯微硬度

零件表面的顯微硬度是影響耐磨、抗疲勞性能的主要因素。顯微硬度是衡量材料抗壓入彈塑性變形能力 的關鍵指標，它直接體現(xiàn)了加載時的應力/應變、卸荷后的彈性回復和塑性壓痕特征。測定表層硬度多用維 氏硬度來表征，一方面是其壓痕小，可測定表層硬度梯度以充分表征表層的強度特性；另一方面是因為其精 度高，對表面破壞性小[14]。圖 9 是不同加工工藝處理后的表面顯微硬度分布情況。

未處理表面顯微硬度為361.3HV0.1，噴丸處理后硬度變?yōu)?83.9 HV0.1，提高了約 34%；滾磨光整處 理后硬度值為 395.7 HV0.1，提高了約9.5%；噴丸/滾磨組合光整工藝后硬度值為 503.4 HV0.1，提高了約 39%；組合強化后較單一加工方式，分別提高了 4%和 27%。組合工藝后硬度值的變化體現(xiàn)出噴丸與滾磨工藝 的疊加效果，噴丸對航空鈦合金表面連續(xù)擊打作用更大，噴丸起主要作用。

3、 結論

通過對表面完整性參數(shù)的表征，可得出如下結論：

(1)噴丸/滾磨組合強化能夠有效的改善航空鈦合金零部件的表面光整效果，其中滾磨光整起到了主要作 用。

(2)噴丸/滾磨組合強化為 TC4 試件引入了幅值更高的殘余壓應力，高達-941 MPa；殘余壓應力影響層 厚度更大，高達約 0.85 mm，且殘余壓應力幅值出現(xiàn)在距表面 0.1~0.2 mm 處；其中噴丸起主要作用，組合 強化后的殘余壓應力分布規(guī)律體現(xiàn)出兩種工藝相疊加的特點，即距表面 0.35 mm 以內，殘余應力具有相似 于滾磨強化的分布規(guī)律；距表面 0.35 mm 以外，其分布規(guī)律與單一的噴丸強化近似。

(3)噴丸/滾磨組合強化后，材料表層晶粒細化現(xiàn)象明顯、引入了更深的塑性變形層。

(4)噴丸/滾磨組合強化后，材料表層顯微硬度最大，其中噴丸強化起到了主要作用。

考慮到噴丸過程中彈丸的非連續(xù)性作用較強，對表面形貌會造成影響，為了得到更高的表面質量，下一 步將進行大粒徑噴丸/小粒徑噴丸/滾磨組合強化的研究。

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本文創(chuàng)新點：基于單個的噴丸、滾磨光整工藝能夠提升航空鈦合金(TC4)表面質量，進而提升其抗疲勞 性能的事實，提出了一種將兩種工藝的最優(yōu)參數(shù)進行組合強化的方法，開展了噴丸、滾磨、噴丸/滾磨組合 強化實驗，對比分析三種加工工藝技術對航空鈦合金(TC4)在表面完整性指標（表面形貌、表面粗糙度、表 層殘余應力、微觀組織、表面顯微硬度）上的差異和聯(lián)系，進而闡明了組合強化對航空鈦合金抗疲勞性能提 高的原理。

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