噴丸強化對Al-Li-XX和2XXX鋁鋰合金疲勞性能的影響

蘇運來, 常文魁, 陳先民, 董登科

(中國飛機強度研究所, 西安 710065)

近些年，新型輕質結構材料一直是航空航天領域關注和研究的熱點[1]。鋁鋰合金作為一種低密度、高性能的先進輕量化結構材料，因具有較高的比強度、比剛度以及優良的耐損傷、抗疲勞性能而在航空航天領域得到廣泛應用[2-3]，如“大力神”和“Delta”運載火箭以及“奮進號”航天飛機[4]、空客A330/340/380等系列飛機[5]部分結構均采用了鋁鋰合金，俄羅斯下一代窄體客機MS-21機身將由先進鋁鋰合金制造，中國新型民用飛機C919的部分機身蒙皮、長桁、地板梁以及機身等直段等結構也均采用了先進的鋁鋰合金，減重效果明顯，且疲勞性能得到改善[6]。

飛機結構在服役過程中因經常承受循環載荷的作用而發生疲勞破壞，加之潮濕空氣、SO2和鹽霧等腐蝕環境會進一步加速其失效破壞。因此，工程中一般通過表面強化處理來提高其疲勞性能和抗腐蝕性能，其中表面噴丸強化由于其操作方便、成本低廉、效果顯著、適應面廣等優點而應用最為廣泛，也因此成為中外學者研究的熱點。徐星辰等[7]研究了噴丸強化對2060-T8E30鋁鋰合金表面完整性和疲勞性能的影響規律，發現合理的噴丸強化工藝可以有效提高其疲勞壽命，過高或過低強度的噴丸處理都難以達到最佳效果。王永軍等[8]對2196-T8511鋁鋰合金擠壓型材進行了噴丸強化試驗，并對沿試件厚度方向殘余應力的分布規律進行了研究。Sun等[9]對2196鋁鋰合金噴丸后的顯微組織演變和力學性能變化進行了研究，通過掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)對噴丸后表面狀態進行了分析，并采用X射線衍射法測定了噴丸引起的殘余應力，進一步揭示了殘余應力分布與噴丸工藝參數之間的關系。廖宇等[10]對某型鋁鋰合金單邊缺口拉伸試樣進行了譜載疲勞試驗，并對外加載荷和殘余應力場共同作用下的應力強度因子和疲勞壽命進行研究。Gao等[11-12]研究了噴丸強化對7475-T7351和7050-T7451鋁合金疲勞性能的影響，發現7475-T7351鋁合金的裂紋主要萌生在第二相周圍，7050-T7451鋁合金試樣的疲勞壽命比未噴丸試樣有明顯的提高。Luong等[13]對激光噴丸強化前后7050-T7451的疲勞性能進行了研究，發現噴丸強化有效提高了材料的疲勞極限，其強化后試樣的疲勞裂紋萌生于結構件的次表面，而未噴丸試件的疲勞裂紋則萌生于試樣表面。Rodopoulos等[14]研究了噴丸強化工藝對2024-T351鋁合金高周、低周疲勞壽命以及裂紋擴展速率的影響，發現對于低周疲勞，噴丸強化可以降低裂紋擴展速率，而噴丸強化對于高周疲勞的增益則主要在于裂紋擴展前期的止裂效果。Majzobi等[15]研究了7075-T6鋁合金噴丸強化后微動疲勞性能的變化，發現噴丸強化將試樣的低周微動疲勞壽命提高了300%。王幸等[16]針對噴丸強化后鋁合金中心孔板試件在恒幅載荷和Mini-twist試驗譜下開展了疲勞試驗，并基于試驗結果改進了傳統疲勞損傷累積理論，提高了譜載下噴丸強化試樣的疲勞壽命預估能力。

從已公開文獻來看，盡管有關噴丸強化的研究很多，但針對鋁鋰合金噴丸強化的研究偏少，且多數研究的是噴丸強化工藝參數對鋁鋰合金疲勞性能的影響和機理分析。為了研究新型鋁鋰合金噴丸強化后的疲勞性能增益，設計了8組疲勞試驗以研究噴丸強化對不同材料、不同取材方向的試件疲勞性能的影響，并采用細節疲勞客定值(detail fatigue rating,DFR)法對疲勞性能進行量化表征及分析，以期為國產大飛機的結構選材、疲勞設計及工程應用提供參考。

1 鋁鋰合金疲勞試驗

1.1 試驗件

選用新型鋁鋰合金Al-Li-XX和2XXX板材進行研究。分別沿這兩種鋁鋰合金的軋制方向(L向)和垂直軋制方向(LT向)進行取材及試件加工，試件采用雙邊缺口構型，幾何尺寸為290 mm×40 mm×6 mm，如圖1所示。對部分試件的缺口表面進行噴丸處理，并對所有試樣均進行化學拋光以去除缺口邊緣的機械加工毛刺和噴丸的丸坑痕跡。

圖1 Al-Li-XX和2XXX鋁鋰合金試驗件幾何尺寸Fig.1 Geometry feature of specimens for Al-Li-XX and 2XXX alloys

1.2 試驗方法

疲勞試驗在INSTRON-8801-100 kN液壓伺服疲勞試驗機上進行，其靜態精度為0.5%，動態精度為2.0%。疲勞試驗按照《金屬材料軸向加載疲勞實驗方法》(HB 5287—1996)進行，采用應力控制單向拉伸循環加載，施加的載荷為應力比R=0.06的軸向等幅譜，加載波形為正弦波，頻率f=10 Hz。試驗安裝時保證加載軸線與試驗件形心同軸，并對每件試驗件均進行尺寸測量，根據截面面積對試驗載荷進行相應調整，保證同組試驗名義應力相同。兩種鋁鋰合金的疲勞試驗安裝圖如圖2所示。

圖2 疲勞試驗安裝圖Fig.2 Installation of specimen for fatigue test

1.3 試驗結果

為了保證后期DFR計算時試驗數據的有效性，根據每種材料類型、取材方向及噴丸狀態選擇合適應力水平，以盡量保證試件疲勞壽命在1×105～4×105循環。每組試驗的應力水平如表1所示，各組疲勞試驗的結果如圖3所示。由于在疲勞試驗中發現兩種鋁鋰合金的試驗件在出現1 mm左右裂紋至最終斷裂的時間很短，裂紋擴展壽命基本不到試件總壽命的5%。實際上，多數航空鋁合金80%～90%的疲勞壽命都消耗在裂紋長度小于數十微米的小裂紋擴展階段[17]。因此圖3中的疲勞試驗結果包含了試件的裂紋萌生壽命和裂紋擴展壽命，即試驗件的疲勞斷裂壽命。

表1 Al-Li-XX和2XXX鋁鋰合金疲勞壽命結果和DFRTable 1 The fatigue life results and DFR for Al-Li-XX and 2XXX alloy

圖3 鋁鋰合金疲勞試驗結果Fig.3 Fatigue test results for Al-Li alloys

2 鋁鋰合金疲勞特性表征

2.1 基于DFR的疲勞特性表征方法

細節疲勞額定值(DFR)是在總結結構細節疲勞特性統計特征的基礎上形成的一種以名義應力為參量的疲勞壽命解析分析方法，其參量DFR的基本定義是在95%置信度和95%可靠度的要求下，構件在應力比R=0.06時能夠承受N95/95=105次循環時所能承受的最大應力[18]。從其定義可知，DFR是結構細節本身固有的疲勞性能特征值，是一種對構件耐重復載荷能力的度量，與載荷無關[19]。

由文獻[18]可知，DFR與應力、可靠性壽命之間的關系可表示為

(0.47S5-lgN95/95-0.53)-

(1)

式(1)中：σm0為材料常數；σmax為名義應力；S為等壽命曲線的斜率參數；N95/95為95%置信度和95%可靠度下的疲勞壽命，可根據試驗數據按照式(2)求得。

(2)

式(2)中：β為試件疲勞壽命服從雙參數Weibull分布時的特征壽命；ST為試件系數；SC為置信系數；SR為可靠性系數。這4個參數可由下述方法確定。

疲勞壽命服從雙參數Weibull分布時的失效概率及相應的可靠度可表示為

(3)

(4)

試件系數ST用于修正試件與實際結構在尺寸上的差異，對于元件級等幅疲勞試驗，可取1.3。

根據雙參數Weibull分布規律，已知形狀參數α時，可靠度r與置信系數SC、子樣數n之間的關系滿足：

(5)

(6)

可靠性系數SR可通過對式(3)進行變換獲得，即

(7)

2.2 鋁鋰合金的DFR結果

根據研究目的不同，試驗共設計了8組疲勞試驗以對比研究鋁鋰合金材料類型、取材方向、噴丸狀態對疲勞性能的影響。采用肖維納準則對異常試驗數據進行篩選，并對試驗數據進行處理，得到兩種鋁鋰合金的疲勞壽命結果及DFR如表1所示。需要說明的是，在計算本文兩種鋁鋰合金的DFR時采用了波音公司對DFR計算參數推薦的許用值[19]：σm0=310 MPa，S=2.0，α=4.0。

3 試驗結果分析與討論

3.1 噴丸強化對鋁鋰合金疲勞性能的影響分析

從表1可以看出，對于Al-Li-XX合金， L向試件在噴丸的情況下比未噴丸的DFR提高了7.5%，而當材料取向為LT時，噴丸與未噴丸試件的DFR基本相同。同樣的規律也出現在2XXX合金中，其L向噴丸試件比未噴丸試件的DFR提高4.9%，而對于LT向試件，噴丸強化對其疲勞性能沒有影響。

采用中位壽命N50%與概率壽命N95/95的比值N50%/N95/95對疲勞壽命的分散性進行量化表征，可以發現，噴丸強化會不同程度地增大試件疲勞壽命的分散性。其中，Al-Li-XX合金L向未噴丸試件疲勞壽命的分散性較小，經噴丸強化后疲勞壽命分散性增大5.6%；LT向試件的疲勞壽命分散性相對較大，經噴丸強化后其分散性進一步增大，增加了12.4%。對于2XXX鋁鋰合金，其L向試件在噴丸前后疲勞壽命的分散性相當，而LT向試件在噴丸后疲勞壽命的分散性則明顯增大，增加了32.7%。

此外還可以看出， Al-Li-XX合金在未噴丸時L向試件的DFR比LT向的試件高11.7%，說明該鋁鋰合金的疲勞性能表現出一定的各向異性；而對于2XXX合金，其L向和LT向試件的DFR相差較小，表現出比較明顯的各項同性。

3.2 噴丸強化對鋁鋰合金疲勞性能的影響機理

噴丸強化會在試件表面引入殘余壓應力場，并且細化表面組織結構，從而改善鋁鋰合金的抗疲勞性能，如圖4所示。在壓應力強化機制方面，鋁鋰合金噴丸強化層內的殘余壓應力與試件承受的外加拉-拉應力產生疊加，能夠抵消部分外載荷的拉應力，緩解疲勞裂紋的萌生和早期擴展，從而提高試件的疲勞性能；在組織強化機制方面，噴丸強化在鋁鋰合金表面產生的組織細化和加工硬化有助于阻止位錯滑移，進而抑制疲勞裂紋的萌生過程[21]。此外，由于噴丸強化層與基體交接處的殘余拉應力與外加拉應力相疊加，使得鋁鋰合金在該位置實際承受的拉應力增大，從而導致裂紋在次表面處萌生的概率大大增加，在表面萌生的概率則明顯降低，減小了材料表面缺陷等對鋁鋰合金疲勞性能的影響，從而一定程度上提高試件的疲勞性能。至于所研究的兩種鋁鋰合金在LT取向時對于噴丸強化不敏感的情形，目前還在進一步研究中。

圖4 噴丸強化后鋁鋰合金沿厚度方向的應力分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of stress distribution along thickness direction for Al-Li alloy after shot peening

4 結論

通過對Al-Li-XX和2XXX兩種新型鋁鋰合金開展了8組疲勞試驗，對比了相同噴丸強化工藝下不同材料、不同取向試件的疲勞性能增益，并采用DFR法進行了量化表征及分析，得到了以下主要結論。

(1)Al-Li-XX合金在L向材料疲勞性能優于LT向，表現出一定的各項異性；2XXX合金在L向與LT向的疲勞性能差別很小，表現出比較明顯的各向同性。

(2)無論是疲勞性能各向異性的Al-Li-XX合金還是各向同性的2XXX合金，其L向試件經噴丸處理后疲勞性能有不同程度的提高，而LT向試件的噴丸強化對于疲勞性能基本沒有影響。

(3)兩種鋁鋰合金無論是L向還是LT向試件，其在未噴丸時疲勞壽命的分散性較小，噴丸后疲勞壽命的分散性有所增大。