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喷丸强化对TC11钛合金高周疲劳性能的影响

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  缘于TC11钛合金材料在航空领域的特殊用途,近年来对其研究愈加深入。由于飞机发动机运行时的高频振动会给附近构件一个挠动应力作用,使零件反复拉压,严重影响零件的疲劳性能。更有资料表明:航空构件中疲劳失效占80%以上,疲劳失效中80%以上裂纹起始于表面缺陷。研究发现钛合金表面状态对疲劳性能的影响很显著。这是因为钛合金的切削加工性很差,从而影响到钛合金构件的使用性能。喷丸强化机制是喷丸后在一定程度上保证材料的表面完整性,减少表面缺陷和局部应力集中的影响,在构件表面形成残余压应力场,从而提升构件的疲劳性能。

  研究人员通过对比测试车削+粗抛处理与车削+粗抛+喷丸处理前后两种不同表面状态下TC11钛合金高周疲劳性能的差异,探究喷丸后TC11钛合金在宏微观疲劳影响因素上的变化,为喷丸处理在TC11钛合金的应用上提供数据支撑和理论依据。

  TC11疲劳试样由某公司提供,原始棒材经950℃双重退火1h后在530℃去应力退火。热处理完后,试样精加工成疲劳试样。将未喷丸、喷丸试样分别命名为0#、1#试样,其中0#疲劳试样采取车削+粗抛光处理;1#试样采取车削+粗抛+喷丸处理,其喷丸参数:喷丸压力0.56MPa,流量7kg·min-1,角度80°,距离130mm,时间50s。利用MTS电液伺服试验机测得其拉伸数据,喷丸前后TC11钛合金抗拉强度变化不大,抗拉强度σb为1154MPa。

  试样分组后,在QBG-200高频疲劳试验机上,以应力比r=-1的拉压加载方式在室温条件下进行高周疲劳试验,分别以460、640MPa作为0#、1#试样升降试验的起始应力值,以Δσ=20MPa做升降试验。首先利用升降法测定0#、1#状态1×107周次下的高周疲劳强度极限,再用成组试验法测定高应力下的疲劳值,结合两组数值拟合成S-N曲线。试验结果表明:

  (1)喷丸后在表层形成明显的残余压应力场和喷丸硬化现象,将裂纹萌生驱赶至次表面,显著提高了TC11疲劳强度和寿命。

  (2)经喷丸后TC11钛合金试样疲劳强度极限达到616.5MPa,而未喷丸试样疲劳强度极限仅为448MPa,与之相比喷丸后疲劳强度极限增加了168.5MPa,提升幅度达37.6%。

  (3)喷丸不仅使得试样表面完整性更为良好,减少了表面应力集中区,还使得表层组织中α相分布的致密度增加。喷丸硬化致使表层显微硬度值发生变化,形成一个深度有近260μm的梯度分布层,表面硬度达到HV433,较未喷丸相比也有近HV50的提升。

  (4)喷丸后疲劳源深度达到258μm,较未喷丸试样的38μm相比增加达220μm。

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