7.喷丸强化与表面完整性对TC21钛合金疲劳性能的影响

2 01 2焦

1 2月

机械科学与技术Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y f o r Ae r o s p a c e En g i n e e r i n g

D e c e mb e r 2 01 2 V0 1 . 3 1 No . 1 2

第3 1卷第 1 2期

喷丸强化与表面完整性对 T C 2 1钛合金疲劳性能的影响李世平，刘道新，李瑞鸿，夏明莉，张炜，乔明杰，杜东兴(西北工业大学腐蚀与防护研究所，西安 7 1 0 0 7 2;

李世平

西安飞机国际航空制造股份有限公司，西安

7 1 0 0 8 9 )

摘

要：研究了喷丸强化与表面完整性对 T C 2 1钛合金疲劳性能的影响规律。利用 x射线应力仪、

粗糙度仪、扫描电子显微镜、显微硬度计等分析了喷丸强化对 T C 2 1钛合金表面残余应力场、表面 粗糙度、表面形态特征及表面加工硬化的影响作用，探讨了喷丸强化对 T C 2 1钛合金疲劳抗力的作用机制。结果表明：优化工艺参数下的喷丸强化能够显著提高 T C 2 1钛合金的疲劳抗力，然而并不

是喷丸强度越高强化效果越好，而是存在着最佳的喷丸强化参数，此条件下可获得良好的表面完整性，因而疲劳抗力亦高。过高强度的喷丸处理破坏了钛合金的表面完整性，反而损害钛合金的抗疲劳性能。因此，在喷丸强化工艺参数选取时，不宜盲目地追求过高的喷丸强度，而忽视钛合金的表面完整性。

关键词： T C 2 1钛合金；喷丸；疲劳性能；表面完整性；疲劳抗力 中图分类号： T G1 7 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 3 - 8 7 2 8 ( 2 0 1 2 ) 1 2 - 1 9 2 1 - 0 6

I n lu f e n c e o f S ho t Pe e n i n g a nd S u r f a c e I n t e g r i t y o n Fa t i g u e Pr o pe r t i e s o f TC2 1 Ti t a n i u m Al l o yL i S h i p i n g ,Li u Da o x i n,L i Ru i h o n g ,Xi a Mi n g l i,

Z h a n g We i ,Q i a o Mi n g j i e ,D u D o n g x i n g( I n s t i t u t e o f C o r r

o s i o n a n d P r o t e c t i o n, N o r t h w e s t e n r P o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y, X i a n 7 1 0 0 7 2;

X i n a A i r c r a f t I n t e r n a t i o n l a C o r p o r a t i o n, X i n a 7 1 0 0 8 9 )Abs t r a c t:Th e i n lu f e nc e o f s h o t pe e n i n g i n t e n s i t y,a n d s u r f a c e i n t e g it r y o n f a t i g u e p r o p e r t i e s o f TC2 1 t i t a n i u m a l l o y

w a s s t u d i e d t o i mp r o v e f a t i g u e r e s i s t a n c e o f t h e h i g h s t r e n g t h t i t a n i u m a l l o y .T h e i n l f u e n c e o f s h o t p e e n i n g o n B u r -f a c e r e s i d u a l s t r e s s,s u fa r c e r o u g h n e s s,s u fa r c e mo r p h o l o g y a n d s u fa r c e h a r d n e s s wa s s t ud i e d b y us i n g X- r a y d i f - f r a c t i o n a n a l y s i s,s u fa r c e p r o f i l e me a s ur e me nt,s c a n ni ng e l e c t r o n mi c r o s c o p y a n d mi c r o h a r d ne s s i n s t r ume n t,e t c. T he me c ha ni s m o f f a t i g u e r e s i s t a n c e i mp r o v e d b y s h o t p e e n i n g wa s ls a o d i s c us s e d.T h e r e s u l t s r e v e a l t h a t t h e e f f e c t

o f f a t i ue g p r o p e r t i e s c a n b e o b v i o u s l y i mp r o v e d b y o p t i mi z e d s h o t p e e

n i n g p r o c e s s .B u t t h e f a t i g u e p r o p e t r i e s i s n o ta s i mp l e mo n o t o n i c v a r i a t i o n wi t h s h o t p e e ni n g i n t e n s i t y.Th e s u fa r c e i n t e g r i t y a n d f a t i ue g r e s i s t a n c e a r e t he mo s t

o p t i mu m i n a c e t r a i n s h o t p e e n i n g p a r a me t e r s,w h i l e t h e y wi l l b e d e c r e a s e d b y e x o r b i t a n t s h o t p e e n i n g i n t e n s i t y .The r e f o r e,whe n c h o o s i n g s h o t p e e n i n g p a r a me t e r s,i t i s b l i nd e d t o me r e l y p u r s u e e x o r b i t a n t i n t e n s i t y a n d i g no r e t h e s ur fa c e i n t e g r i t y o f me t l a ma t e ia r l s . Ke y wo r ds:TC2 1 t i t a n i u m ll a o y;s h o t p e e ni ng;f a t i ue g p r o p e ty;s r ur fa c e i n t e g it r y;f a t i g u e r e s i s t a n c e

T C 2 1钛合金是近年来我国自主研发的高强、高收稿日期： 2 0 1 1—1 1—1 5 基金项目：国家自然科学基金项目( 5 1 1 7 1 1 5 4 )资助

韧损伤容限型钛合金，具有强度、塑性、断裂韧性之间的良好匹配，且兼顾很好的成型特性，作为飞机结构件材料其综合性能和应用价值明显优于 T C 4传

作者简介：李世平 ( 1 9 8 7一),硕士研究生，研究方向为材料表面工程技术与腐蚀防护， y i z h a n l e e@y a h o o . c o m. c a;刘道新 (联系

统钛合金 l 2 J。然而，与结构钢等金属材料相比，钛合金表面缺口敏感性高，高强度钛合金缺口敏感性

人),教授，博士生导

师， l i u d a o x@n w p u . e d u . c n

更大，由此导致其与疲劳断裂成为影响钛合金航空

1 9 2 2

机械科学与技术

第3 1卷

结构件安全应用的重要隐患之一 _ 3 I 4 J。合理的喷丸强化 ( s h o t p e e n i n g, S P )处理能够改善金属材料的表

表 1所示。热处理工艺为 9 1 0 o C保温 2 h,空冷，

6 0 0℃保温 4 h,空冷。组织成分为+双相组织，机械性能见表 2。疲劳试验用试样尺寸和几何形状如图1所示，表面完整性分析所用试样如图 2所示。两端

面完整性，有效改善金属材料抗疲劳性能的重要技术方法。然而，喷丸处理既能引人有利于提高钛合金疲劳陛能的因素(表面引入残余压应力 ),同时也会包含不利于疲劳性能的因素 (表面粗糙度增大、表面产生损伤性缺陷等 ) J,此外，还涉及具有双重影响作用的因素(如加工硬化有利于抗疲劳裂纹萌生， 但可能不利于抗疲劳裂纹扩展)。如何充分发挥喷丸处理的有利因素，避免或减少不利因素的影响，是有

效利用喷丸技术改善金属材料抗疲劳性能的关键。 目前对 T C 2 1钛合金喷丸强化的研究虽有报道 7, ' 但是对喷丸强化影响 T C 2 1钛合金表面完整陛及其与疲劳抗力相关性和作用机制的认识还不够清晰，生产中甚至盲目地将 T C A等常用钛合金的喷丸规范照搬到T C 2 1钛合金上。因此，开展喷丸强化与表面完整性对新型钛合金疲劳性能影响的研究十分必要。本0

图 1疲劳试样形状及其尺寸

一

文以 T C 2 1钛合金为研究对象，研究了喷丸强度和表面完整性对其疲劳抗力的影响规律和作用机制。1试验材料与方法 1 . 1试验材料—

n

表面粗糙度= 0 . 8 g m

、

试验材料为 T C 2 1钛合金棒材，其化学成分如

图 2表面完整性试样形状及尺寸

表1 T C 2 1钛合金化学成分

表2 T C 2 1钛合金室温力学性能

1 . 2试验方法

1 . 2 . 1表面完整性评价方法

表面完整性评价包括表面残余应力、硬度、粗糙度的测试及表面形貌的观察和分析。

试样表面喷丸强化处理采用数控气动式喷丸强

残余应力测试选用 D/ M A X 2 2 0 0 P C型微机辅

化设备，

参照生产经验及有关资料选择的 T C 2 1钛合金的具体喷丸强化参数如表 3所示，弹丸选用 A S H1 1 0铸钢丸。表3 T C 2 1钛合金的喷丸处理工艺条件

助 x射线应力分析仪。采用侧倾测试法，扫描方式为固定法， 分别取 0、 1 5。、 3 0。、 4 5。,选择半高宽法定峰。其中：利用 c u( K a )靶辐射，管电压为 4 0 k V,管电流为 4 0 m A,出光口为平行光束，照射面积为 1 mm×2 mm。应力常数为一2 7 7 M P a/。。采

用化学光腐蚀剥层法测定喷丸试样残余应力沿层深的分布，腐蚀液成分为 H N O : H F= 9: l,温度为 3 O℃。仅对试样的喷丸面减薄，其它表面被保护， 减薄速率控制在 1 0/ z m/ m i n左右。 显微硬度的测量使用 H V一 1 0 0 0型显微硬度计，选用K n o o p压头，在0 . 2 4 5 N载荷下测定，保载时间为

2 0 s。对于表面选取不同位置测量 5次，求出平均值。

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