水射流表層改性技術研究進展*

（鄭州大學機械與動力工程學院，鄭州 450001）

抗疲勞制造是我國發展裝備制造業、提升關鍵件競爭力的重要技術保障，是制造業轉型升級的必由之路。其核心是通過一定的技術手段，在零件表層構筑具有優良組織結構、殘余應力分布場、硬度梯度場以及表面質量的變質層，用以抵卸外界循環應力和損傷累積，抑制表面及內部疲勞裂紋的萌生。其工藝流程一般排在熱處理之后及表面精加工之前。表層改性技術是抗疲勞制造中承上啟下的關鍵工藝環節。

水射流表層改性是近年來新興的一種零件表層改性技術，其具有能量密度高、成本低廉、綠色環保等優勢，可以精確控制射流壓力、入射角度以及噴射位置，易于工程應用，能夠通過調整射流參數，實現傳統機加工難以處理的狹小、彎窄等承受交變載荷的零件部位表層改性，如齒輪根部、軸肩、葉片根部等。通過一定的組合工藝手段，不但能夠實現殘余應力場的有效構筑，而且在表面質量上也能夠達到一定的指標。在某些非接觸表面上，水射流處理過的表面可以直接應用或服役，不需要進行后續的精加工工序，節約了制造成本。

水射流表層改性的發展歷程

早在1984年，就有學者提出將高壓水射流應用到零件的表層改性中，以達到提高疲勞壽命的目的[1]。當時認為水射流沖擊與傳統意義上的噴丸很相近，只是用高壓水射流代替了高速固體噴丸[4,7]。2002年美國Ramulu 等[7–8]采用純水射流表層改性鋁合金7075–T6，指出純水射流表層改性既可以延遲疲勞裂紋萌生，也可以降低裂紋擴展速度，最終提高高周疲勞壽命。Arola 等[8]發現混合水射流也可以引入大小不等的殘余壓應力（100~800MPa），隨后在大氣環境下分別采用純水射流和混合水射流對工業純鈦和Ti–6Al–4V進行表層改性，發現無論純水射流還是混合水射流都可以在金屬表面引入殘余壓應力，純水射流可以引入–180MPa，混合水射流可以引入– 400MPa[9]。由此可知，無論純水射流還是混合水射流，都可以構筑一定深度的表面變質層，進而提高材料疲勞壽命。目前，國內外針對高壓水沖擊改性方法并沒有明確的分類，但根據水射流的狀況可分為：高壓脈沖水射流、高壓空化水射流、高壓純水射流和高壓磨料水射流。

高壓脈沖水射流是將能量通過一定的裝置儲存起來，再將能量間斷地傳遞給水，利用水錘效應對靶體進行沖擊。Srivastava 等[10]研究了脈沖水射流對304 不銹鋼的表面處理效果，運用圓形與扁平兩種不同形狀的噴嘴，改性件表面的初始拉伸殘余應力轉為殘余壓應力，最高可達–513MPa。隨后研究了脈沖水射流在不同壓力、靶距、噴嘴移動速度下對樣件改性的影響，發現表面殘余應力與硬度均有增加，硬度由347HV最大可增加到570HV。

高壓空化水射流利用空化水射流的基本思想，將氣泡破裂產生的能量作用于材料表面達到改性的效果。Han 等[11–12]運用有限元方法和位錯密度方法預測了空化水射流噴丸過程中所能引入殘余應力值的大小，然后針對純鈦合金進行空化水射流噴丸試驗驗證，結果表明，空化水射流引入的殘余應力值與試樣的塑性變形程度正相關。

高壓純水射流強化的工作介質完全是純水，沒有添加劑或磨料，僅利用水的集中動能束噴向靶體，依靠水流的沖擊使其表面及附近層面產生一定的塑性變形，從而影響和改變零件的力學特性。Azhari 等[13]研究了水射流強化次數、進給速率、壓力對304 不銹鋼的影響。水射流往復沖擊次數越多，壓力越大，則硬度越高，試驗范圍內，硬度可提高22%~31%，硬化層深度可達到150~400μm；噴嘴移動速度越慢，硬度越高，試驗范圍內硬度可提高27%，硬化層深度可達到300μm。后利用水射流噴丸處理1045 碳鋼表面，研究了射流道數以及壓力對表面粗糙度以及硬度的影響，對沖蝕機理進行了分析，發現增加射流道數和壓力會產生更高的表面粗糙度和沖蝕，硬度也有所提高，晶界處會出現嚴重損傷[14]。董星等[15]應用水射流對鋁合金和45 鋼進行噴丸試驗，得出結論：水射流噴丸可以提高鋁合金和45 鋼的表面殘余壓應力，其噴丸表面殘余壓應力隨噴丸壓力和靶距的增加而迅速增大，隨移動速度的增加而減小。Barriuso 等[16]研究了純水射流沖擊AISI316 和Ti–6Al–4V時的表面硬化現象，在沖蝕表面下方，AISI316 硬度從210HV 提高到300HV，硬化層深度為100μm，而Ti–6Al–4V 沒有明顯硬化。高壓純水射流強化技術雖取得了一定進展，然而因其工作介質完全是水，對硬質材料加工能力有限，但為高壓磨料水射流的發展奠定了基礎。

高壓磨料水射流改性是在純水中添加一定比例的丸粒、提高能量，噴射到材料表面形成一定深度的表面變質層。根據丸粒混合方式的不同分為前混合與后混合磨料水射流兩種形式，如圖1所示。Arola 等[17]采用后混合水射流表層改性304 不銹鋼和Ti–6Al–4V，通過調整射流壓力和彈丸直徑，可在304 不銹鋼表面引入–165 ～– 460MPa 的殘余壓應力。鄒雄等[18]運用后混合磨料水射流噴丸對GDL–1 鋼進行表面強化與改性，分析了不同壓力水噴后試樣表面粗糙度、組織、硬度和殘余應力等的變化規律，并研究了300MPa 水噴處理后不同保溫溫度和保溫時間殘余應力場的熱松弛行為，發現表面粗糙度、殘余壓應力以及硬度隨著壓力的增大而增加，表面殘余壓應力最大可達1155MPa，硬度近700HV。Anasiewicz 等[19]應用混合水射流對耐腐蝕鋼的粘接部位進行噴射，同時兼顧表面粗糙度和殘余應力，顯著提高了金屬連接部位的結構強度。董星等[20–21]運用前混合磨料水射流裝置對2Al1 鋁合金以及45 鋼進行試驗，觀察不同參數下表面粗糙度的變化，結果表明：表面粗糙度隨著噴丸壓力的增大而增大，隨著移動速度的增大而減小，并發現存在最優靶距；運用前混合水射流噴丸探究了不同噴丸參數對2Al1 鋁合金和45 鋼圓棒試樣顯微硬度、表面殘余壓應力以及疲勞壽命的影響；在不同噴丸參數下殘余壓應力得到較大提升，顯微硬度也有所提高，45 鋼疲勞壽命為未處理前的18.56 倍，2Al1 鋁合金可達25.31 倍。可見混合水射流由于水中混合丸粒，其沖擊能量比純水更大，強化效果比純水射流更顯著。后混合由高速水流在混合室內產生的負壓作用在一側卷吸丸粒，因此需要200MPa 以上壓力才能夠使丸粒達到較大的速度，且丸粒易集中分布在吸附區域的一側，不易進入射流的中心，從而對改性效率產生不利影響。而前混合中水對丸粒預先在磨料罐及高壓管路內形成漿體射流，后在混合室內進行二次混合，對丸粒的加速作用較為明顯，且丸粒更易進入射流中心，更易獲得較高的動能。因此利用前混合磨料水射流對標準試樣進行表面改性，在較低壓力下丸粒便可達到較高的速度，可見前混合對硬質合金的改性較后混合改性的穩定性和效率有所提高，其結構如圖1（b）所示。此外，由于前混合方式的射流形成壓力條件低于后混合，因此對于設備的承壓能力要求降低，對于承受零部件的設計及運轉的安全性較為有利。

圖1 后混合與前混合的結構對比Fig.1 Comparation of injection water jet and suspension water jet

水射流射流束可在已有的零件表層施加作用力或能量，引發零件表層生成一定深度的塑性變形，形成具有一定幅值和深度的殘余應力場，并伴隨微觀組織和硬度的變化，構筑初始變質層，集中且高效地達到改性的目的。此外，水射流的噴頭可以較為靈活地安裝在各類平臺上，如三移動+兩擺動的五軸聯動平臺，以及多自由度機械手平臺等。國外的OMAX公司以及國內的獅邁、大地水刀等多家公司均推出了機械手臂及五軸聯動平臺的水切割機，并在一些專用特殊場合成功實現了應用。圖2是某國外公司研制的五軸切割設備。

圖2 五軸水切割機Fig.2 Five-axis water jet cutting machine

常用表層改性方法與水射流改性的對比

從加工的方式來看，表層改性主要分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式的代表工藝為滾壓，其特點是變質層生成效率高，表面質量好。Liu等[22]分析了滾壓次數對40Cr 表面殘余應力的影響，結果表明殘余壓應力值隨滾壓次數的增加而增大，表層殘余應力最大可達–970MPa，與初始相比提高了近2 倍。Zhu 等[23]通過疲勞試驗來探究超聲滾壓表面強化技術對Ti–6Al–4V 疲勞特性的影響，超聲滾壓處理后試樣的疲勞強度達到了612MPa，相比基體試樣提高了65%。但對于高硬度表面，需要特殊壓頭以及高噸位裝備，設備成本較高。此外，對于狹窄、溝槽以及自由復雜曲面，如齒輪的根部、軸上的鍵槽底部等，處理起來難度較大。因此，該方法常用于表面幾何特征簡單、硬度不高的零件，在工程應用上受到一定的限制。

非接觸式是近些年來新興發展的表層改性方式，其代表工藝有激光、超聲、氣動噴丸、水射流噴丸等。超聲、激光兩種非接觸式改性方式，其應用于大功率高頻發生器一直存在著瓶頸，裝備成本較高，因此在應用上受到限制，現在主要針對特殊材料的零件進行小范圍的應用。氣動噴丸是由壓縮空氣帶動丸粒沖擊表面。高玉魁[24–25]對比了噴丸強化和表面機械兩種沖擊強化工藝對304奧氏體不銹鋼的影響，發現沖擊強化導致奧氏體轉變為馬氏體，而且表層晶粒明顯細化，從而提高了屈服強度和抗拉強度等拉伸性能；隨后又對比了激光沖擊強化和噴丸強化對GH742 殘余應力場的影響，發現激光沖擊噴丸能引入更優殘余壓應力深度、冷作程度、塑性變形及更高溫下更穩定的殘余壓應力，并且發現兩種工藝處理后試樣的殘余應力存在一個超過屈服強度的飽和最大值。趙艷麗等[26]研究了不同噴丸工藝對A–100 高強度鋼殘余應力場的影響，發現進行二次噴丸可提高試樣的表面殘余壓應力，最大可達–910MPa，強化深度15μm；但由于存在氣動壓力的限制，其丸粒動量有一定的上限，丸粒速度一般在100m/s 左右，而拋丸的速度更低，一般在50~60m/s，對于硬態零件表面難以實施有效改性。

水射流表層改性可以避免常規改性方法的不足。如前所述，采用純水射流可以對鋁合金等硬度較軟的材料進行有效的表層改性，在引入足夠的殘余應力條件下又不破壞原有表面形貌。對于硬度較高的零件表面，可以采用射流中添加丸粒的混合射流方法進行改性。該方法最早的設備是由商用切割水刀演變而來，不同的是水刀切割添加的固體顆粒是尺寸較小的石榴砂；表層改性則是將石榴砂更換成一定尺寸的金屬丸粒，采用水帶丸粒的方式進行表層改性，在引入殘余應力場的同時，表面形貌也會受到一影響。隨著改性研究深入發展，為了提高射流效率，前混合方式逐漸得到發展和應用。

混合水射流表層改性重點研究方向

1 射流束的形成及控制

后混合方式是高壓水首先形成高速的射流水柱，在混合室內，高速水柱與丸粒進行混合，然后通過混砂管射出。張滕飛等[27]利用Fluent 軟件對后混合噴嘴磨料顆粒運動進行仿真，探究了磨料運動軌跡對磨粒加速運動的影響。在混合過程中，丸粒的運動由靜止到啟動加速，在混砂管中校直后，直到形成混合射流，因此丸粒的運動狀態相當復雜，丸粒之間、丸粒與水之間的相互作用、丸粒與壁面之間的摩擦等均會影響射流束的形成。當采用前混合方式時，丸粒與水的混合效果更加明顯，且避免了混合過程中空氣的混入對射流結構造成的影響，因此在一定程度上提高了射流的集束性，但是在噴嘴外自由射流區域仍存在霧化以及擴散現象。在前混合射流形成研究理論方面，章文峰等[28]以固液兩相流理論為基礎，建立了前混合射流磨料在高壓管路、噴嘴內的速度模型，并基于等分法和迭代算法的數值求解方法，求解了磨料速度模型。混合射流的集束性直接影響射流改性能力，如何有效對其控制需要進一步深入研究。

2 射流束參數的測量

高速流束的結構及測量一直是相關學者高度關注的問題。射流束參數主要包括射流束中液固質點的速度分布及丸粒的空間分布。目前主要通過粒子圖像測速（Particle image velocimetry, PIV）技術來實現射流束的流場可視化及速度檢測，如圖3所示。PIV 技術是一種全新的無擾、瞬時、全場速度測量技術，該技術的主要優點為非接觸式測量，在不需要破壞流場的基礎上實現三維速度可視化。PIV 測速的基本原理是在極短脈沖時間內拍攝一對射流圖像，然后根據粒子的位移與脈沖間隔計算出速度。目前國內外對于該技術在小尺度流場中的適用性均有一定的研究。章文峰等[29]結合PIV 技術和圖像處理與濾波分析技術，測量出了前混合射流束中磨料沿軸向和徑向的速度分布規律及磨料在射流中的位置信息。Zeleňák 等[30]結合PIV 技術中的PTV 算法和激光誘導熒光（Laser induced fluorescence,LIF）技術，測量了一定靶距范圍內所有顆粒的平均速度隨壓力和磨料質量濃度的變化，并得到了不同速度區間內丸粒的數量分布。Thongkaew等[31]結合PIV 技術及LIF 技術測量了軸向平面內顆粒的速度分布規律并將試驗數據與此前建立的粒子速度模型進行對比，證實了該技術的可靠性。

受限于試驗條件，目前PIV 技術只能測量射流束的二維速度分布。為了充分了解射流束的結構，有必要測量射流束的三維速度分布。鮑蘇洋等[32]采用體三維速度測量（Volumetric three-component velocimetry measurements, V3V）技術測量了渦輪槳附近區域的三維流場，得到了尾渦渦對的三維結構；分析了槳葉附近流體的3 個方向速度分量u、v、w沿徑向分布情況。這一技術似乎可以應用到小尺度流場的三維速度可視化，比如射流束中，因此有必要對該技術進行充分研究。在實際應用中，由于3DPIV 對測量環境有一定的要求，激光器以及相機對水汽較為敏感，因此在實際使用中由于射流反射的水霧影響，不易安裝到實際平臺當中，必須采用臺下方式形成小規模射流，且射流需要無干擾落入下方容器中，以防濺起水汽的影響。圖3是本課題組搭建的臺下射流3DPIV 測試試驗臺。

圖3 3DPIV測試試驗臺Fig 3 3DPIV test platform

3 噴嘴形狀及壽命

噴嘴是混合射流最終形成的關鍵，噴嘴的形狀及壽命直接影響到混合射流的改性效果以及應用成本。丁祥青[33]設計出不同結構的噴嘴，對各噴嘴的流場進行仿真分析，得到最佳噴嘴結構。黃飛等[34]設計了5種不同形狀的噴嘴進行沖擊測試試驗，發現在相同的工況下,圓形噴嘴水射流的集束性最好且中心壓力最大，橢圓形噴嘴的水射流形態最為發散，其中心沖擊壓力最小。

混合射流由于磨料的加入，磨料在噴嘴內部會進行一定的無規律的運動，與噴嘴壁面發生碰撞等接觸，使噴嘴產生材料損失。前混合系統中磨料的加速時間較長，能量較高，對噴嘴的磨損加劇，從而對改性效果產生影響。管金發等[35]建立了前混合磨料水射流噴嘴物理模型，分析了射流參數、磨料參數對磨料水射流噴嘴內表面磨損特性的影響規律，發現隨著流量和磨料體積分數的增加、磨料顆粒粒徑的減小，噴嘴內表面磨損程度增加。于其明[36]對磨料射流噴嘴內部流場進行了數值模擬，發現噴嘴磨損程度受射流時間、射流速度、磨料尺寸、磨料濃度等影響較為嚴重。混合射流改性過程中要合理確定噴嘴結構及材料，在滿足改性要求的同時提高噴嘴的壽命。

4 改性后變質層的表面完整性及后續加工方法

當采用射流改性后，表面完整性參數與變質層主要參數（殘余應力、硬度梯度、微觀組織）的變化，直接影響到零件的抗疲勞性能。從現有研究情況來看，射流改性后的表面完整性與變質層的變化規律情況需要深入研究。目前射流工作的主要任務是形成有效的變質層，使產生的殘余應力幅值達到材料表層梯度的屈服強度。混合水射流噴丸會造成表面完整性的下降，具體表現為表面會產生沖擊坑以及表面微裂紋[37]。沖擊坑是噴丸的固有現象，可以通過后續的精加工工藝解決。但是如果產生微裂紋，后續的精加工由于考慮殘余應力深度的影響，其磨削余量受到限制而無法完全去除裂紋，甚至會形成新的潛在裂紋，對零件質量的影響較為突出。這說明，在采用混合水射引入殘余應力形成新的變質層同時，表面完整性的變化規律也需要關注。混合射流噴丸的重要任務是在滿足表面變質層的量化指標條件下也符合表面完整性的相關要求，即在無表面裂紋損傷的條件下引入最大的殘余應力及其梯度。

改性后殘余應力與后續精加工的矛盾也需要重點關注。由于殘余應力對溫度較為敏感，甚至在一定溫度下殘余應力會被“清零”，因此表層改性必須在熱處理之后進行。但由于改性后表面出現新的應力集中點（沖擊坑），對于接觸表面必須進行精加工工序以提高表面質量。一般較為通用的方法是磨削。在磨削過程中，磨削熱的生成與控制將是影響殘余應力的關鍵因素。如何有效提高表面質量而不影響已有的殘余應力場，是表層改性或抗疲勞制造面臨的一個難題。國內外學者曾嘗試用特殊的CBN 砂輪，或者CBN 刀具高速切削以及磁力研磨方法進行表層改性的后處理，希望能夠解決以上難題。本課題組以水射流表層改性后的滲碳淬火18CrNiMo7–6 為對象，采用CBN 銑刀小切深高速硬切的方法，將改性后的表面粗糙度Ra由1.204μm 減小到0.02μm，并且原先殘余應力場中的最大值保持基本不變[38]。其過程如圖4所示。

圖4 硬切試驗過程Fig.4 Experiment process of hard milling

5 微細特征處的改性

混合水射流對溝槽、曲面等復雜型面均展現出一定的改性能力，但對于細微特征處的改性仍存在問題待解決。對于帶V 形槽的標準試樣，當應力集中系數Kt=5 時其槽底圓角半徑很小約為0.05mm，采用混合射流加工時磨料半徑需小于槽底圓角半徑才有改性的可能性。混合射流丸粒直徑一般在0.2mm 以上，需采用直徑0.1mm 以下的微小丸粒對細微處進行改性。在改性過程中由于射流束的擴散以及部分丸粒沿流束徑向擴散，對細微V 形槽的結構會產生一定的破壞，因此需要在改性前對V 形槽其他區域進行一定的保護措施。混合射流改性過程中會有丸粒的反彈，當對V 型槽進行改性時，丸粒進入槽內無法及時彈出，將影響后續射流的改性，對改性產生不利影響。以上這些問題需要深入研究。

6 前混合連續噴射

前混合水射流一部分高壓水進入儲料罐，與儲料罐內的磨料初步混合，使丸粒處于流化態，后進入高壓管路在噴頭裝配體內與水進行二次混合。在此過程中丸粒與水在通過管路阻尼時可能會發生堵塞，試驗研究表明，高濃度的水丸混合流對管路內的流道尺寸變化比較敏感，任何微小的丸粒流動的波動都可能會造成連鎖效應，從而形成噴嘴或阻尼孔處的堵塞，影響改性效率以及安全性。因此，應研究前混合射流的壓差流量特性，使用一定大小的丸粒與阻尼，射流出流以及混合比均保持穩定，以保證射流不發生堵塞，連續穩定。實際應用中，丸粒處于儲料罐的密閉環境中，可利用傳感器檢測罐內丸粒的儲存量，以及時添加丸粒，避免在改性過程中丸粒供給突然中斷，造成不必要的停機和工件浪費。

混合射流改性發展方向及應用前景

混合射流改性進一步發展的研究方向主要在以下4 個方面。

（1）前混合代替后混合。當前表層改性主要設備是基于后混合方式，其裝備基于水射流切割機，經簡單改造升級后進行表層改性研究。前混合在加工效率及加工穩定性上均優于后混合，且參數可控性較大。提高加工效率、減少磨料的消耗以及降低能耗是混合射流發展的方向，前混合射流在今后有更廣闊的應用前景。

（2）改性表層初始硬度不斷提高。工件表面硬度高，其沖擊韌性、疲勞強度以及耐磨性均有所提高，對高硬表面進行強化（HRC60~65）更有利于發揮材料的潛力，提高零件的使用壽命。對于某些關鍵零件如軸承等，由于抗疲勞制造要求，其熱處理后的硬度要達到HRC65~67 甚至更高。對于這種高硬材料的表面進行處理，混合射流具有其獨特的優勢，合理優化射流改性工藝參數，丸粒產生的沖擊能夠對硬質表面產生較大影響，進一步提高硬質表面的性能。

（3）工程化應用。在機械裝備中，螺栓根部、齒輪表面以及根部、航空發動機葉片根部等關鍵零件的應力集中部位需要引入合理的殘余應力場以提高零件的疲勞性能。混合射流改性的自身優勢比較適合對以上零件表面的局部或整體進行改性。對于上述零件進行表層改性，需要在機理研究的基礎上再展開工程應用。如對于齒輪，應先采取樣件改性、樣件疲勞試驗、齒輪形面工藝試驗、齒輪接觸疲勞以及彎曲疲勞臺架試驗、裝配后嚙合試驗等全過程，需要材料、裝備設計、疲勞、工藝編程等多個研究方向的共同組合才能實現，并由科研院所、高校以及應用企業共同參與研發。其最終成果是改性零件的量產化以及改性專機的研發。

（4）混合射流表層改性專用裝備研發。混合射流對形狀復雜以及精度要求較高的零件進行改性，五軸或多自由度機械手水射流改性裝備是其應用的前提。對材料進行改性時，丸粒不可避免四處飛濺，對操作人員的安全、機床的精度以及環境產生不利影響，因此需要對混射射流改性裝備進行全面防護。防護包括兩個方面：一是運動部件的全封閉防護，機床導軌、絲杠、伺服電機以及線纜等要與丸粒和水進行物理隔離，以確保機械部件的正常運動接合面不受丸粒和水的影響；二是進行噴頭運動范圍的局部防護，減少丸粒濺出量，將反彈出的丸粒控制在較小空間范圍內。在安全措施上，人機交互處需要安裝有一定耐沖擊級別的鋼化玻璃；設備的壓力、流量等參數要實時檢測，做到參數可調可控；裝備需要有自動丸粒回收以及裝填裝置，以做到丸粒循環回收，脫水干燥以及自動烘干等，從而節省加工時間，提高工作效率。