旋片噴丸對7B04-T6鋁合金應力腐蝕抗性的影響

賀 旺,王燕禮,王亞南,劉金生,譚志國,高 建

（1．國營蕪湖機械廠，安徽蕪湖241000；2．中國人民解放軍32256部隊，昆明650021；3．中國航發北京航空材料研究院，北京100095）

7B04鋁合金是一種飛機結構常用高強鋁合金，它是在7A04基礎上通過進一步純化鐵和硅雜質而來，具有很好的靜態強度、疲勞強度、斷裂韌度等力學性能。7B04合金常用熱處理制度有三種∶T6、T74和T73。研究表明，7B04在T6狀態下應力腐蝕敏感性最強，T74狀態下較弱，T73狀態下基本沒有應力腐蝕傾向[1]。某型飛機的一些典型結構是用T6狀態7B04制造，最近，在維修中發現該型飛機這些典型結構發生了應力腐蝕開裂（stress corrosion cracking，SCC），嚴重影響了飛機結構完整性。因為該結構無法在維修中更換，故考慮采用可現場實施的技術進行一些未開裂同類結構的預防性修理，以提高未開裂結構的應力腐蝕抗性。

眾所周知，SCC需要三個條件∶（1）敏感的腐蝕材料；（2）足夠大的拉伸應力；（3）特定的腐蝕環境。破壞其中任意一個條件，就可阻止SCC發生。噴丸是一種廣泛應用的表面強化技術，能在材料表層引入殘余壓縮應力，從而降低或抵消拉伸應力，改善材料SCC抗性。關于噴丸改善金屬材料疲勞強度的文獻有很多，而用于改善金屬材料SCC抗性的文獻相對較少。在20世紀60～70年代，ALCOA公司[2]就發現，在不是很惡劣的腐蝕環境中，噴丸處理有很強的延緩或防止2014-T651和7079-T651鋁合金SCC破壞的效果；諾斯羅普公司[3]為解決鋁合金航空結構鍛件SCC問題，曾選擇對全部7079-T6和7075-T6鋁合金結構，包括翼梁、起落架作動筒、隔框、接頭等進行噴丸處理；澳大利亞航空研究試驗室[4]研究了噴丸對5054擠壓鋁合金件SCC抗性的影響。道格拉斯公司[5]采用鑄鋼丸處理馬氏體狀態9Ni4Co0.45C鋼，并將試件交替浸泡在人造海水中，加載80%屈服強度，結果噴丸提高SCC持久時間20倍以上。21世紀以來，也有一些噴丸提高SCC抗性的報道，例如，Alobaid[6]采用鑄鋼丸機械噴丸處理2205不銹鋼表面，在沸騰MgCl2溶液中進行SCC實驗，結果顯示，噴丸處理延緩SCC時間15倍以上；倪紅芳等[7]采用玻璃丸機械噴丸處理304不銹鋼焊縫，提高SCC抗性效益高達近600倍；此外，噴丸處理對304不銹鋼母材[8-10]和焊縫[11]、316L不銹鋼[12]、奧氏體不銹鋼[13]、1Cr18Ni9Ti不銹鋼[14]、汽輪機末級葉片材料[15]、2024鋁合金[16-18]、A7N01鋁合金[19]等材料SCC敏感性的影響也都有報道。以上研究均表明，恰當的噴丸處理可有效改善材料SCC抗性。遺憾的是，鮮有關于噴丸處理對7B04-T6鋁合金SCC抗性影響的報道。

采用噴丸技術改善鋁合金SCC抗性時，有兩個不利因素必須考慮。一是表面粗糙度。噴丸一般會造成表面粗糙度增加，這會增大鋁合金與腐蝕介質接觸實際面積，從而使均勻腐蝕速率增加，對改善SCC抗性不利；增大噴丸強度，雖然會增大噴丸后晶粒細化程度、殘余壓應力深度和數值，但也會顯著增大被處理表面粗糙度。二是表層可能損傷。噴丸強度越大引起表面損傷性破壞（如開裂和疊層等）也會越嚴重，在應力腐蝕環境下時，容易從損傷處發生局部腐蝕或萌生裂紋。由此可見，合適的噴丸工藝才能改善鋁合金SCC抗性。通常認為，處理鋁鍛件應選擇大彈丸和最大噴丸強度，選擇彈丸尺寸的同時應考慮表面粗糙度，噴丸時間應滿足阿爾門試片100%覆蓋率。

考慮到飛機機體典型結構現場強化處理的實際工程需求，本工作采用旋片噴丸技術進行兩種不同噴丸強度的7B04-T6鋁合金試樣表面處理，測定分析噴丸前后試樣表面粗糙度、殘余應力、表面形貌的變化；通過恒載荷SCC實驗，評價噴丸處理對其SCC抗性的影響；通過拉伸實驗，評價噴丸處理對材料靜態強度和斷面收縮率的影響；用掃描電子進行腐蝕斷口觀察與分析。

1 實驗材料與方法

材料為東北輕合金公司生產的50mm厚7B04-T651鋁合金板，化學成分（質量分數/%）為0.05Si、 0.14Fe、 1.55Cu、 0.29Mn、 2.55Mg、 0.13Cr、6.10Zn、余量Al。根據 HB5254—1983 設計加工恒載荷SCC試樣9件，去除表面包鋁層，編號為T01～T09，見圖 1（a）和（b）所示。將 SCC 試樣分成三組∶（1）原始加工試樣 T01～T03；（2）噴丸工藝1處理試樣T04～T06；（3）噴丸工藝2處理試樣T07～T09。根據MH/T3017—2008和HB/Z26—2011，采用旋片噴丸設備處理T04～T09試樣工作段四個表面，其中噴丸工藝1的噴丸強度為0.1～0.2A，噴丸工藝2工藝的噴丸強度為0.2～0.3A，旋片轉速均為2000r/min，覆蓋率均大于100%，噴丸處理過程見圖1（c）所示。根據 GBT7704—2008，采用X-350A型X射線應力測定儀測定三類試樣沿加載方向的表面殘余應力，在每個試樣工作段區域內隨機測定3個點然后取平均值。使用TR200表面粗糙度測試儀測定三類試樣的表面粗糙度Ra，在每個試樣表面測定3個值然后取平均值。使用VHX-100型體式顯微鏡觀察三類試樣的表面形貌。使用WDML-1型恒載荷應力腐蝕試驗機開展SCC測試，溫度（35±1）℃，腐蝕溶液是 3%NaCl+0.5%H2O2，施加載荷 350MPa。根據 GB/T228.1—2010，設計加工靜強度拉伸試樣9件，編號為JZ01～JZ09，如圖 1（d）所示，使用 CMT5204拉伸試驗機開展靜載荷拉伸測試，其中，JZ04～JZ06和JZ07～JZ09分別采用噴丸工藝1和工藝2進行處理。SCC試樣和靜強度拉伸試樣均要求在供貨態軋制板材T-L面內沿T方向取樣。

圖1 試樣設計與加工及噴丸處理過程 （a）SCC 試樣圖紙；（b）SCC 試樣；（c）旋片噴丸處理；（d）拉伸試樣圖紙Fig.1 Sample design，manufacturing and shot peening process （a）SCC sample drawing；（b）SCC sample；（c）flap peening processing；（d）tensile sample drawing

2 結果與討論

2.1 表面殘余應力

圖2為試樣殘余應力測定值。由圖2看出，原始加工試樣表面存在約?50MPa殘余應力，噴丸工藝1在試樣表面引入約?350MPa殘余應力，噴丸工藝2引入約?275MPa殘余應力。這表明，噴丸增大了試樣表面殘余壓應力，且工藝1增幅高于工藝2約75MPa，這是噴丸工藝的典型特征，隨著噴丸強度增大，噴丸處理表面呈現的殘余壓應力值會減小。殘余應力對SCC過程有較大影響，表面存在殘余壓應力的試樣SCC壽命會明顯高于存在殘余拉應力的試樣[20]。故僅從殘余應力角度判斷，應該是噴丸工藝1處理試樣抗SCC性能最佳，噴丸工藝2處理試樣次之，原始加工試樣第三。

圖2 表面殘余應力Fig.2 Surface residual stress

2.2 表面粗糙度

圖3 為試樣表面粗糙度測定值。由圖3可以看出，原始加工試樣表面粗糙度Ra約為0.9μm，噴丸工藝1處理試樣約為1.6μm，噴丸工藝2處理試樣約為1.8μm。這表明，噴丸增大了試樣表面粗糙度，且工藝1表面粗糙度低于工藝2，該現象符合噴丸工藝特征，即噴丸強度增大，表面粗糙度會增大。粗糙度大會增大材料表面與腐蝕溶液的實際接觸總面積，從而進一步增大材料SCC概率。故僅從表面粗糙度角度來講，應該是原始加工試樣抗SCC性能最佳，噴丸工藝1處理試樣次之，噴丸工藝2處理試樣最差。

圖3 表面粗糙度Fig.3 Surface roughness

影響SCC的各種因素相互之間存在競爭機制，故這里不能簡單斷定三種工藝加工試樣的抗SCC性能孰優孰劣。如2.1所述，噴丸在表面引入了有益殘余壓應力，但是，從表面完整性角度來講，噴丸強度越大引起表面損傷性破壞（如開裂和疊層等）可能性也越大，在受到應力腐蝕時，容易從損傷處發生局部腐蝕或萌生裂紋。還需要說明的是，表面粗糙度增大，有助于提高漆層與基體的結合力，這對于裝備后期涂裝有利。

2.3 表面形貌

圖4為試樣表面形貌。由圖4可以看出，原始加工試樣表面雖然光滑，但加工遺留的方向性痕跡仍較明顯；噴丸試樣表面存在大量凹坑，表面粗糙度確實增大，但消除了方向性痕跡。研究表明，這種稍微粗糙但是均勻的噴丸表面在減少密封滲漏方面，要優于非常光潔的研磨或磨削表面，這或許在使用過程中，對抑制一些不經意的漆層劃傷或漆層剝離造成的腐蝕介質進入是有作用的。另外，稍微粗糙的表面可以增加金屬表面與漆層之間的結合力。兩種噴丸工藝處理的試樣表面形貌相似，看不出明顯區別。

2.4 應力腐蝕持續時間

圖4 表面形貌 （a）原始加工試樣；（b）噴丸工藝 1 處理試樣；（c）噴丸工藝 2 處理試樣Fig.4 Surface topography （a）original sample；（b）sample treated by shot peening process1；（c）sample treated by shot peening process2

圖5 應力腐蝕持續時間Fig.5 SCC duration time

SCC實驗結果（圖5）顯示，原始加工試樣持久時間在 44～222h 之間（平均值 138h），噴丸工藝1處理試樣持久時間在1250h以上（平均值1555h，T04試樣1800h未斷裂），噴丸工藝2處理試樣持久時間在 1000h 以上（平均值 1204h），這表明，噴丸處理試樣性能優于原始加工試樣，其中，噴丸工藝1和工藝2分別提高持久時間11.3倍和8.7倍。分析原因如下∶（1）噴丸在試樣表面引入了更大殘余壓應力，有效抵消了外在拉應力，降低了試樣表面實際拉應力值，起到了延緩SCC裂紋萌生作用；同時，殘余壓應力具有一定層深，在此深度范圍內，殘余壓應力減小了SCC裂紋尖端有效應力強度因子，導致SCC裂紋擴展速率降低。（2）噴丸處理使表層晶粒取向隨機，位錯密度增大，甚至細化晶粒，該變化也有助于延緩SCC裂紋萌生，降低SCC裂紋擴展速率。

同時，發現噴丸工藝1處理試樣的持久時間較工藝2處理試樣要更長。這可從兩個方面解釋∶（1）噴丸工藝1處理后，試樣表面殘余壓應力更大；（2）噴丸工藝1處理后，試樣表面粗糙度相對較小。

2.5 應力腐蝕斷口

按照 HB5257—1983，使用鉻酐溶液，去除斷口表面腐蝕產物。圖6是三類試樣典型斷口的SEM照片。由圖6看出，不同試樣斷口特征相似，SCC裂紋起始于試樣表面，在裂紋源處有部分晶粒被腐蝕；隨后，腐蝕向內部延伸一定深度，更多的晶粒被腐蝕；腐蝕主要是沿晶界發生，斷口表現為沿晶斷裂。

2.6 靜強度和斷面收縮率

圖7為噴丸對強度極限的影響。由圖7看出，兩種噴丸工藝處理試樣的強度極限均為586.6MPa，較處理前 589.5MPa降低了 2.9MPa，可認為噴丸對材料強度極限沒有影響。圖8為噴丸對屈服強度的影響，由圖8看出，兩種噴丸工藝處理試樣測試的屈服強度均降低了約15MPa，但這種表觀測試結果并不能說明噴丸對材料的屈服強度產生影響，具體的影響規律有待進一步研究。圖9為噴丸對斷面收縮率的影響。由圖9看出，噴丸對材料斷面收縮率沒有明顯影響。

圖6 斷口的 SEM 照片 （a）原始加工試樣；（b）噴丸工藝 1 處理試樣；（c）噴丸工藝 2 處理試樣Fig.6 SEM pictures of fracture surface （a）original sample；（b）sample treated by shot peening process1；（c）sample treated by shot peening process1

圖7 噴丸對強度極限的影響Fig.7 Effect of shot peening on ultimate strength

圖8 噴丸對屈服強度的影響Fig.8 Effect of shot peening on yield strength

圖9 噴丸對斷面收縮率的影響Fig.9 Effect of shot peening on percentage reduction in area

3 結論

（1）0.1～0.2A 和 0.2～0.3A 兩種噴丸強度分別在 7B04-T6 鋁合金表面形成?350MPa 和?275MPa殘余壓應力，表面粗糙度Ra從噴丸前的0.9μm分別增大至 1.6μm 和 1.8μm。

（2）噴丸可改善7B04-T6鋁合金抗應力腐蝕開裂性能，在 3%NaCl+0.5%H2O2溶液中、（35±1）℃、350MPa 恒載荷作用下，0.1～0.2A 和 0.2～0.3A兩種噴丸強度處理試樣的應力腐蝕持續時間分別是未噴丸試樣的11.3倍和8.7倍，0.1～0.2A噴丸強度改善效果更佳。

（3）噴丸處理對材料強度極限和斷面收縮率沒有明顯影響。