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    金屬零件表面改性的噴丸強化技術

     


     

    金屬零件表面改性的噴丸強化技術

    激光噴丸強化和傳統的機械噴丸強化相比具有鮮明的特點和更大的優勢;
    (1)光斑大小可調,可以對狹小的空間進行噴丸。如可對微電機系統中微電機和開關的微米級金屬零件進行激光噴丸[3],而傳統機械噴丸由于受彈丸直徑等因素的限制則無法進行。
    (2)激光脈沖參數和作用區域可以精確控制,參數具有可重復性,可在同一地方通過累積的形式多次噴丸,因而殘余壓應力的大小和壓應力層的深度精確可控。
    (3)激光噴丸形成的殘余應力比機械噴丸形成的大,其深度比機械噴丸形成的要深。美國學者Hackel等人用鎳合金Inconel718材料做機械噴丸和激光噴丸的對比實驗,結果表明激光噴丸形成的壓應力層深度是機械噴丸的3~4倍。
    (4)激光噴丸使零件表面塑性變形形成的沖擊坑深度僅為幾個微米。光滑零件表面強化后,基本不改變其表面粗糙度,因而特別適合航空發動機葉片的表面強化,不但可使表面改性,而且還保持了葉片表面氣流的通暢和原先設計時的力平衡。
    (5)適用范圍廣,對碳鋼、合金鋼、不銹鋼、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、鋁合金、鈦合金及鎳基高溫合金等材料均適用。不必像機械噴丸那樣,對于不同材質和硬度的零件需更換和使用不同的彈丸,甚至不能噴丸強化。
    美國學者曾將某型號航空發動機鈦合金的葉片分4種情況進行對比實驗:①葉片邊緣完好未刻V型槽,未噴丸;②葉片邊緣關鍵部位刻1.5mm深的V型槽,未噴丸;③葉片邊緣刻1.5mm深V型槽且進行高強度機械噴丸;④刻1.5mm深V型槽且進行激光噴丸。各組實驗結果的平均值如圖4所示,可以看出,機械噴丸和激光噴丸都能有效提高葉片的疲勞壽命,但激光噴丸效果更加顯著。
    激光噴丸強化是一種新技術。20世紀70年代初,美國貝爾實驗室就開始研究用高密度激光束誘導的沖擊波束來改善材料的疲勞性能。隨著對激光器功率、脈寬、沖擊波引起的應力波的波陣面形狀等問題研究的深入和解決,尤其是較高激光脈沖重復率問題的解決,使激光噴丸強化走向實用化階段,已經用于汽車、船舶和軍工等領域。如美國空軍實驗室材料和制造分部的實驗表明,一種典型的風扇葉片高的循環疲勞強度為690MPa,受小的外來物損傷后其疲勞強度降低到140MPa。而這種葉片進行激光噴丸強化后,受到大的外來物損傷后其疲勞強度仍保持690MPa。據稱,GE公司為B-1轟炸機F101發動機的20000多片葉片及F-16戰斗機的2000多片葉片進行了激光噴丸處理,結果葉片的失效率明顯下降。
    3 結束語
    噴丸強化是改善金屬材料表層物理機械性能最常用的方法之一,它能有效改善金屬材料的強度、耐磨性和耐腐蝕性,還可用于使那些通常不能進行熱處理的材料達到較高的硬度以及用于提高鋁合金焊縫的強度,以有效地提高金屬材料的疲勞壽命。噴丸強化工藝已引起人們的重視并得到應用,尤其是激光噴丸強化技術正越來越受工業界的青睞。

     


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