钛合金喷丸后的残余应力场与热松弛分析

疲劳问题是在交变载荷作用下的航空发动机部件的主要失效模式，在零件失效案例中占有较大的比例。目前，国内外离心叶轮、压气机叶片和压气机盘等许多钛合金发动机转子部件都采用喷丸强化技术来提高疲劳性能。喷丸作为一种表面形变强化工艺，可以在钛合金表面引入残余压应力场强化和组织强化效果以提高表面层金属抵抗外加拉应力载荷的能力。组织强化效果采用微观评价较为困难，可以采用 X 射线衍射的半高宽法进行宏观表征。目前国内外 X 射线衍射、钻孔法等残余应力表征方法标准成熟，应用较为广泛，因此，在喷丸工艺研究时多采用残余压应力表征的方法来对喷丸工艺方法进行表征。

钛合金喷丸残余应力的相关研究较多。胡正云等对钛合金激光喷丸和机械喷丸进行了残余压应力场的有限元模拟，认为最大残余压应力数值可以达到屈服强度的 1.1 ~1.2 倍;李启鹏等研究了 TC17 钛合金经过激光喷丸后残余应力场的热松弛情况，并进行了预测;王欣等研究了不同覆盖率下钛合金 Ti60 喷丸后的残余应力场，认为在 200%覆盖率下钛合金残余应力场稳定性较好。由于钛合金转子部件在中温下服役，研究中温条件下钛合金喷丸残余应力松弛对于喷丸方法的实际应用具有重要的指导意义。按照国外标准分析，表面覆盖率对于喷丸强化的残余应力场有较大的影响，因此，本文针对航空发动机应用广泛的钛合金 TC4，开展中温保温对于不同表面覆盖率喷丸的残余压应力场的影响研究，分析热作用松弛规律，为喷丸技术的工程化应用提供支持。

1 试验材料及方法

本研究所用试样由 TC4 锻件下料加工得到，力学性能如表1所示。试样尺寸为15 mm×15 mm× 15 mm，6 面经过精细抛磨，边缘倒角 1 mm。喷丸过程符合 HB/Z 26—2011枟航空零件喷丸强化工艺枠，采用陶瓷弹丸 AZB150，喷丸强度 0.05 ~0.10 mmA，覆盖率选择为 100%和 300%两种。

采用马弗炉对经过喷丸的试样进行热处理，制度为200°C×1h空冷和500°C×1h空冷。完成热处理后，采用 X-3000 型 X 射线衍射残余应力测试仪对试样残余压应力场进行表征，采用Ti Kα靶，管电流6 mA，管电压30 kV，测试过程符合 GB/T 7704—2008枟无损检测 X 射线应力测定方法。

2 试验结果

2.1 喷丸后的残余应力场和半高宽

喷丸后试样的残余应力场和半高宽分布如图 1 所示，可知残余压应力呈典型的倒钩型分布，按表面残余应力数值、最大残余应力数值、残余压应力场深度和最大残余压应力对应深度 4 个特征值表征残余应力场。由图 1(a)可得，经过 100%覆盖率喷丸的钛合金残余应力场的 4 个特征值分别为 -390 MPa、 -525 MPa、 120 μm、27 μm;而经过 300%覆盖率喷丸的钛合金残余应力场的 4 个特征值分别为 -415 MPa、 -525 MPa、 165 μm、52 μm。由此可知，经过更大覆盖率喷丸后，钛合金的表面残余应力、残余应力场深度和最大残余应力对应深度均有一定提高，这应与大覆盖率喷丸对应的较长喷丸时间和较多次数的弹丸撞击有关系。

喷丸后由 X 射线衍射得到的半高宽是表面层塑性形变的表征，由图 1(b)可得，两种工艺参数喷丸后半高宽分布沿表面向内呈逐渐减小的趋势，约在 75 μm 处回到基体半高宽。经 300%覆盖率喷丸的半高宽较100%覆盖率喷丸大。这说明喷丸造成的塑性形变从表面向内逐渐减小，约在 75 μm 处塑性形变回到基体水平，但残余压应力存在说明喷丸产生的弹性形变仍然存在;大覆盖率造成的累计塑性形变( 加工硬化) 大于小覆盖率。

2.2 热暴露对喷丸残余应力场和半高宽的影响

经 200 °C ×1 h 中温热暴露后，喷丸残余应力场和半高宽分布如图 2 所示。由图 2 可得，经过 100%覆盖率喷丸的钛合金热暴露后残余应力场的 4 个特征值分别为 -460 MPa、 -550 MPa、150 μm、24 μm;而经过 300%覆盖率喷丸的钛合金热暴露后残余应力场的 4 个特征值分别为 -350 MPa、 -550 MPa、150 μm、 27 μm。经对比可知，热暴露后两种工艺的残余应力场分布状态变得非常接近，与未经热暴露的工艺相此，经过更大覆盖率喷丸后，钛合金的残余应力场的热稳定性较差。这个结果与一些国外文献中的结果类似，这应与大覆盖率喷丸产生的大加工硬化表面在高温下的稳定性有关。由图 2 还可得，300%覆盖率的表面的半高宽数值较 100%大，当深度达到 75μm 以后，两种工艺参数喷丸热暴露后半高宽分布也基本一致，与未热暴露的半高宽分布对比也说明 300%覆盖率喷丸后的塑性形变层稳定性相对较差。由上述分析可知，表面覆盖率是影响残余应力场热稳定性的因素之一，研究结果与国外部分文献结果较为吻合。

经过 500 °C ×1 h 中温热暴露后，喷丸残余应力场和半高宽分布如图 3 所示。图 3 可得，经过 100%覆盖率喷丸的钛合金热暴露后残余应力场的 4 个特征值分别为 -70 MPa、 -160 MPa、130 μm、60 μm;而经过300%覆盖率喷丸的钛合金热暴露后残余应力场的 4 个特征值分别为 -100 MPa、 -130 MPa、160 μm、 60 μm。从残余应力有效性角度判断，经过 500 °C ×1 h 热暴露后，原先喷丸残余压应力场已经基本松弛，工艺间对比可知，无论是大覆盖率还是小覆盖率，在足够高温度的热暴露作用下其残余压应力场松弛程度基本一致。由此可见，热暴露(或服役温度)是残余应力场稳定性的最重要影响因素，大于表面覆盖率。此外，图 3 还可得，半高宽分布说明经过热暴露后半高宽曲线数值虽有所减小，但仍然存在梯度，喷丸后半高宽梯度代表喷丸后表面的塑性形变梯度，而塑性形变梯度代表喷丸后表面的位错密度仍然大于基体，说明喷丸产生的塑性形变强化效果仍可能存在。