TC4鈦合金超聲噴丸強化覆蓋率試驗與數值分析*

蔡 晉，謝廣安，閆 雪，李 威

(1.沈陽航空航天大學，沈陽 110136；2.中國航發上海商用航空發動機制造有限責任公司，上海 200241)

噴丸強化作為葉片、盤、軸、鼓筒、軸頸等航空發動機關鍵件的表面處理的標準工藝，能夠將裂紋萌生從表面轉移到次表面區域，延緩疲勞失效的發生，顯著提高部件的疲勞壽命，德國MTU公司與克勞斯塔爾工業大學提出采用超聲噴丸技術來替代傳統的噴丸工藝，利用超聲噴丸的噴丸介質隨機分布沖擊特征，降低葉盤等薄壁件畸變程度，并證明了超聲噴丸工藝在不同鈦合金強化時具有低粗糙度及長疲勞壽命的典型特征[1–2]。表面覆蓋率是控制噴丸工藝一致性的重要參數，對噴丸表面質量、噴丸構件的機械性能以及經濟性有重要影響，是噴丸過程中最重要的“可測量”變量。但對覆蓋率的實際控制和預測方法并未得到有效驗證。金屬零件的疲勞性能受噴丸覆蓋程度的影響較大[3–4]，在噴丸過程中，通常會因覆蓋率過大而導致“過噴丸”現象，進而產生應力集中和裂紋萌生點。低覆蓋率（≤100%）同樣會導致疲勞壽命降低，這是由于低覆蓋率下殘余壓應力場沒有在試樣表面充分覆蓋，使噴丸引入的表面粗糙度在疲勞過程中發生早期裂紋萌生[5]。充分覆蓋的殘余壓應力場可以極大地降低早期裂紋萌生比例，使整體疲勞壽命顯著增強。因此對噴丸覆蓋率的控制極其重要[6]。

傳統覆蓋率檢測方法效率低，結果準確性受零件復雜外形、機械性能及環境影響較大[7]，超聲噴丸過程中彈丸沖擊角度和速度具有高度隨機性，模擬過程復雜。文獻[8–12]基于預先設定的位置和排列方式對多彈丸模型進行噴丸研究，討論沖擊模式對噴丸工藝的影響，這種簡化模型不能準確模擬實際噴丸過程中的隨機性，因此這些研究方法通常無法模擬實際超聲噴丸強化的覆蓋條件。

近年來，國內的超聲噴丸數值模擬研究改變了以往的二維、三維簡化模型研究方法，基于振動理論建立了較完善的超聲噴丸數值模型體系。王業輝[13]對超聲噴丸過程進行了有限元研究，分析了超聲噴丸工藝參數對殘余應力的影響，得出超聲噴丸工藝參數與TC4鈦合金殘余應力場之間的關系。劉輝等[14]通過數值模擬方法，分析了TC4鈦合金超聲噴丸與傳統噴丸表面應力及粗糙度方面的差異。楊天南等[15]定量仿真分析了激勵振動幅值對TC4鈦合金超聲噴丸表面形貌及應力場的影響規律。蔡晉等[16]探討了超聲噴丸腔室形狀與零件局部沖擊密度的關系，證明了通過改變超聲噴丸腔室形狀和振動頭振幅，可以實現零件目標區域的強化范圍和強度的控制。過往的研究較多以殘余應力、粗糙度分布為研究對象，沒有圍繞覆蓋率開展系統的試驗與數值模擬對比研究，本研究以TC4鈦合金為研究對象，結合超聲噴丸試驗及仿真，研究超聲噴丸工藝參數對覆蓋率的影響，基于ABAQUS構建有限元振動系統，并施加激勵控制，實現超聲噴丸工藝多彈丸高度復雜隨機運動仿真，對比分析彈丸數量及彈丸直徑對試樣表面覆蓋率、等效應變場的影響規律。

試驗材料與研究方法

1 試驗材料

試驗材料采用TC4鈦合金，熱處理方式為710℃保溫2h使其完全退火，爐冷至150℃以下，進行二次退火處理，550℃保溫2h，最后爐冷至室溫，將TC4鈦合金板材切割成50mm×60mm×5mm的試樣。TC4鈦合金超聲噴丸前表面狀態如圖1所示，化學成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金的化學成分（質量分數）Table 1 Chemistry component of TC4 titanium alloy(mass fraction)%

圖1 TC4鈦合金超聲噴丸前表面狀態Fig.1 Surface state before ultrasonic shot peening of TC4 titanium alloy

2 超聲噴丸處理

對TC4鈦合金試樣進行超聲噴丸處理，設置振動系統頻率20kHz，振動幅值為60μm，采用正弦波控制，采用氧化鋯陶瓷彈丸，超聲噴丸試驗裝置如圖2所示，超聲噴丸工藝參數如表2所示。

圖2 超聲噴丸試驗裝置Fig.2 Device of ultrasonic shot peening experiment

表2 超聲噴丸模型工藝參數Table 2 Process parameters of ultrasonic shot peening model

有限元模型

1 本構模型

在超聲噴丸過程中，材料表層受彈丸連續沖擊發生高度塑性變形，材料的屈服極限在不同的應變速率下將發生改變，TC4鈦合金材料的塑性參數采用Johnson–Cook[17]模型，如式（1）所示。

式中，σ為材料應力；A為材料靜態屈服應力；B為材料應變冪指系數；ε為材料等效塑性應變；n為應變硬化指數；C為應變率敏感系數；ε●*為應變影響因子；T*為溫度影響因子；m為溫度敏感性系數，相應的本構參數如表3所示[18]。

表3 TC4材料本構模型參數Table 3 Material constitutive model parameters of TC4

2 腔室及模型設置

基于UG/NX12.0建立3D模型，將腔室等幾何模型導入ABAQUS進行有限元仿真，建立6組有限元模型，其中試樣尺寸50mm×60mm× 5mm，振動頭直徑50mm，導入材料模型，設置振動系統頻率20kHz，振動幅值采用正弦波控制，采用動態顯示算法，場變量輸出應力、應變、位移、力場數據，通過對比不同模型試樣的最終位移場、等效應變場的變化來判斷彈丸數量、彈丸直徑對TC4鈦合金試樣表面覆蓋率的影響規律，并采用Image J分析兩種工藝參數對覆蓋率的影響規律，模型參數如表2所示。

仿真過程中TC4鈦合金試樣、彈丸、振動頭和腔室的材料屬性如表4所示，超聲噴丸過程如圖3所示。

圖3 超聲噴丸過程示意圖Fig.3 Ultrasonic shot peening process diagram

表4 各零部件材料屬性Table 4 Material properties of each components

超聲噴丸工藝參數對覆蓋率的影響分析

1 彈丸數量對試樣覆蓋率的影響

基于表2中模型c、d、e研究彈丸數量對試樣覆蓋率的影響，彈丸數量分別設置為100、150、200，進行10s超聲噴丸仿真，對試樣的位移場及等效應變場進行對比分析。圖4（a）、（b）、（c）為100、150、200個彈丸模型中試樣表面位移場，比較10s時位移場中凹坑的數量，結果顯示，隨著彈丸數量的增多，試樣表面凹坑密度顯著增加，單位時間內，增加彈丸數量的同時增加了彈丸沖擊試樣表面的概率。圖4（d）～（f）為3種模型試樣表面等效應變場，比較等效應變場與位移場，位移場中的凹坑基本與等效應變場中的局部應變點位置一致，表明變形為塑性變形，因此增加彈丸數量可以增加試樣表面的噴丸覆蓋率。

對不同彈丸數量下凹坑等效應變場進行image J圖像分析，定量研究覆蓋率的變化，圖4（g）～（i）為不同彈丸數量試樣表面凹坑的閾值分布狀態。結果分析表明，100、150、200個彈丸模型在10s的覆蓋率分別為16.6%、36.2%、48.1%，覆蓋率分析二值分布如圖4（j）、（k）、（l）所示。

圖4 不同彈丸數量模型的場分布及覆蓋率分析Fig.4 Field distribution and coverage analysis under different numbers of spheres

對比100、150、200個彈丸模型的位移場及等效應變場，隨著彈丸數量的增加，相同時間內，試樣表面單位面積內凹坑數量增加、等效應變場中塑性變形區的密度增加，局部應變點增加，因此在單位時間內，增加彈丸數量可以增加試樣表面的覆蓋率。

2 彈丸直徑對試樣覆蓋率的影響

基于模型a、b、c研究彈丸直徑對試樣覆蓋率的影響，彈丸直徑設置為0.5mm、1mm、2.5mm，進行10s超聲噴丸仿真，圖5（a）、（b）、（c）為0.5mm、1mm、2.5mm直徑彈丸模型中試樣表面位移場，比較10s時位移場中凹坑的數量，隨著彈丸直徑的增加，試樣表面凹坑數量顯著增加。圖5（d）、（e）、（f）為0.5mm、1mm、2.5mm直徑彈丸模型中試樣表面等效應變場，與位移場相比，位移場與等效應變場基本一致。對比10s時等效應變場中發生塑性變形的區域，結果表明，隨著彈丸直徑的增加，試樣表面塑性變形區域不斷增大，即其他條件不變的情況下，僅增加彈丸的直徑，試樣表面產生塑性變形的區域增加，局部應變點增加，表面覆蓋率增加。

圖5 不同彈丸直徑模型的場分布Fig.5 Field distribution under different diameters of spheres

對不同彈丸直徑超聲噴丸表面等效應變場進行圖像分析，彈丸直徑為0.5mm時由于沒有產生有效的等效應變，因此沒有發生塑性變形，不在覆蓋率的統計范圍內，認為此時覆蓋率為0；其他兩組分析結果表明，1mm、2.5mm彈丸直徑模型在10s時的覆蓋率分別為8.1%、16.6%，圖像分析如圖6所示。

圖6 1mm、2.5mm彈丸直徑模型試樣表面覆蓋率分析Fig.6 Surface coverage analysis of 1mm,2.5mm diameter of sphere model

比較0.5mm、1mm、2.5mm直徑彈丸模型的位移場及等效應變場，結果表明，隨著彈丸直徑的增加，相同時間內，試樣表面單位平面內凹坑數量及密度增加、等效應變場中塑性變形區的密度增加，局部應變點增加，在單位時間內，其他條件不變的情況下，增加彈丸直徑可以增加試樣下表面的覆蓋率。對比彈丸數量與彈丸直徑對超聲噴丸過程覆蓋率的影響，彈丸直徑在0.5～2.5mm范圍變化時，覆蓋率由0提高至16.6%，彈丸數量在100～200變化時，覆蓋率由16.6%提高至48.1%。因此在常用參數范圍內，彈丸直徑對初始沖擊塑性臨界值覆蓋率狀態的影響更顯著。在彈丸直徑達到沖擊塑性臨界值后，在一定范圍內，彈丸數量引起的覆蓋率提高更顯著。

3 超聲噴丸試驗結果分析

圖7（a）、（b）、（c）為彈丸數量100、150、200超聲噴丸表面凹坑分布情況，圖7（d）、（e）、（f）為彈丸直徑0.5mm、1mm、2.5mm超聲噴丸表面凹坑分布情況。采用TCV–2A覆蓋率檢測儀對不同彈丸數量與彈丸直徑超聲噴丸TC4鈦合金表面進行表征與分析，通過計算目標像素與圖像總像素數比得出表面平均覆蓋率。超聲噴丸強化過程中，大量彈丸連續不斷地隨機高速撞擊試樣表面，表層材料發生塑性變形，使試樣表面形成致密的小壓痕或凹坑，引起表面形貌發生變化。與超聲噴丸前試樣表面狀態相比（圖1），結構件噴丸強化前的表面存在部分較細且平直的軋制痕跡，噴丸強化后的表面則由較多相互交叉、疊加在一起的凹坑組成。對比兩種變量下超聲噴丸試樣的表面形貌特征，相同超聲噴丸時間內，圖7（a）～（c）3組試樣表面凹坑尺寸及覆蓋程度較（d）～（f）更高，彈丸數量及彈丸尺寸的增加，使凹坑重疊的幾率增加，與仿真結果相似。與增加彈丸數量相比，彈丸直徑對初始沖擊塑性臨界值覆蓋率狀態的影響更顯著。在彈丸直徑達到沖擊塑性臨界值后，彈丸數量由100增加到200的過程中，彈丸數量引起的凹坑覆蓋密度提高更顯著。

圖7 不同彈丸數量與彈丸直徑超聲噴丸試樣表面狀態Fig.7 Surface states of ultrasonic shot peening sample under different numbers and diameters of spheres model

圖8（a）和（b）分別為彈丸數量100、150、200與彈丸直徑0.5mm、1mm、2.5mm超聲噴丸覆蓋率仿真值與試驗值對比情況，在仿真方面，彈丸數量100、150、200對應的覆蓋率分別為16.6%、36.2%、48.1%，彈丸直徑0.5mm、1mm、2.5mm對應的覆蓋率分別為0、8.1%、16.6%；在試驗方面，彈丸數量100、150、200對應的覆蓋率分別為15.2%、38%、52%，彈丸直徑0.5mm、1mm、2.5mm對應的覆蓋率分別為0、9.5%、15.2%。兩組變量覆蓋率結果表明，覆蓋率與彈丸數量及彈丸直徑呈正相關，覆蓋率試驗值與仿真值差異均較小，其中以彈丸數量為變量的研究中，當彈丸數量為200時，試驗值與仿真值覆蓋率差異存在極大值為3.9%，試驗值與仿真值的誤差約7.5%；以彈丸數量為變量的研究中，當彈丸直徑為2.5mm時，試驗值與仿真值覆蓋率差異存在極大值為1.4%，試驗值與仿真值的誤差約9.2%，兩個變量覆蓋率研究中，在覆蓋率差異為極值時，試驗值與仿真值誤差均小于10%，差異較小，表明兩組變量的仿真模型可以用于TC4鈦合金超聲噴丸表面覆蓋率的有效預測。

圖8 不同彈丸數量與彈丸直徑超聲噴丸表面覆蓋率分析Fig.8 Analysis of ultrasonic shot peening surface coverage with different number and diameter of spheres

結論

（1）彈丸數量與彈丸直徑的增加，均可以使試樣表面凹坑、堆疊等特征的密度增加，從而使試樣表面覆蓋率增加。

（2）在常用參數范圍內，彈丸直徑對初始沖擊塑性臨界值覆蓋率狀態的影響更顯著，在彈丸直徑達到沖擊塑性臨界值后，彈丸數量引起的覆蓋率提高更顯著。

（3）超聲噴丸過程使試樣表面形成致密的小壓痕或凹坑，引起表面形貌發生變化，與超聲噴丸前試樣表面狀態相比，表面部分較細且平直的軋制痕跡等特征被相互交叉、疊加在一起的凹坑特征所替代。

（4）試驗值與仿真值誤差均<10%，對于簡單試塊的超聲噴丸強化應力場分析，可通過工藝仿真實現超聲噴丸表面覆蓋率的有效預測，為進一步開展復雜結構零件（如復雜曲面葉片、復雜結構樅樹榫頭、盤軸內腔等結構）覆蓋率研究提供思路。