陶瓷丸喷丸强化对激光增材制造TC18钛合金疲劳性能的影响

冯抗屯，翟甲友，杨 凯，张平则，高 頔

(1.中航飞机起落架有限责任公司，长沙 410200；2. 南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京 210016)

0 引 言

TC18钛合金是一种高强高韧准α+β钛合金，其耐腐蚀性能好、成型能力强、退火状态下强度高，适用于制备航空主承力结构件，如飞机起落架支柱、扭力臂及支架等零件[1]。疲劳是航空钛合金零件的主要失效形式之一，约占总失效形式的70%，提高材料的抗疲劳性能是降低零件失效风险的关键。研究表明，喷丸强化作为工业生产中最为常用的表面强化工艺之一，能够有效提高材料的疲劳寿命[2-6]。何少杰等[7]发现材料表层的残余应力对零件的疲劳寿命具有较大影响，残余拉应力是导致材料疲劳断裂的重要因素之一。而喷丸强化产生的残余压应力能够抑制裂纹扩展，在一定程度上提高零件的疲劳寿命[8-9]。BANDAR等[10]研究发现，喷丸强化可以产生表面加工硬化，有效提高材料的表面硬度，增大表面残余压应力层的深度，从而改善材料的疲劳性能。

喷丸强化工艺通常利用陶瓷丸、玻璃丸、钢丸等对材料进行强化。其中，陶瓷丸因组织细密、强度高、变形小而广泛应用于航空航天行业。与玻璃丸相比，陶瓷丸破碎率低，破碎后碎片保持原始形状，表面光滑，且不会对环境造成任何污染。与钢丸相比，陶瓷丸具有化学惰性，不易与金属发生反应，且不易对受喷零件尤其是钛合金、铝合金等金属造成腐蚀和污染。

采用传统锻造方法制备钛合金零件时，材料利用率低、成本高，且制造周期较长。而金属零件增材制造技术可以实现复杂零件的快速自由成形，极大地提高材料利用率，节约成本[11]，提高效率，自问世以来受到了广泛的关注。然而目前，关于增材制造TC18钛合金表面强化的相关研究较少。因此，作者通过激光直接沉积成形TC18钛合金，并对其进行陶瓷丸喷丸强化，研究了喷丸强度对其表面形貌、表层残余应力以及疲劳性能的影响，旨在为实现增材制造钛合金的工程应用提供研究基础。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验原料为TC18钛合金粉末，粒径为100～140 μm。采用配有三轴联动四坐标数控加工机床的10 kW光纤激光增材制造系统成形TC18钛合金。制造过程中成形腔内通入高纯氩气作为保护气体，利用激光对同轴输送的TC18钛合金粉末进行多道逐层熔化沉积，见图1。激光功率为6.38.0 kW，光斑直径为8～10 mm，扫描速度为8001 200 mm·min-1。所得TC18钛合金的化学成分如表1所示。

表1 激光增材制造TC18钛合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of laser additive manufactured TC18 titanium alloy (mass) %

图1 激光增材制造过程示意Fig.1 Schematic of laser additive manufacturing

由图2可知，激光增材制造TC18钛合金主要由α-Ti和β-Ti两相组成，与锻造TC18钛合金的相组成一致，其组织形貌为原β相内分布着细小的针状α相，见图3。

图2 双重退火后激光增材制造TC18钛合金的XRD谱Fig.2 XRD pattern of laser additive manufactured TC18 titanium alloy after double annealing

图3 双重退火后激光增材制造TC18钛合金的显微组织Fig.3 Microstructure of laser additive manufactured TC18 titanium alloy after double annealing

对激光增材制造TC18钛合金进行双重退火获得网篮状组织，以实现合理的强韧性匹配。双重退火热处理工艺为700 ℃保温1～3 h，空冷，然后在620 ℃保温2～8 h，空冷。对不同炉次的部分试样进行力学性能测试，由表2可见双重退火热处理后激光增材制造TC18钛合金的力学性能均符合技术规范指标要求。

表2 双重退火热处理后激光增材制造TC18钛合金的力学性能Table 2 Mechanical properties of laser additive manufactured TC18 titanium alloy after double annealing

采用荷兰RSM-50-MR-CS/SS-2-2011型数控喷丸机，以Z300陶瓷丸为喷丸介质对双重退火后的TC18钛合金试样进行喷丸，使其喷丸强度分别为0.15～0.20 mm，0.20～0.25 mm，0.25～0.30 mm，喷丸覆盖率均为100%。

1.2 试验方法

采用BrukerD8-ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)对双重退火TC18钛合金试样进行物相分析，采用铜靶Kα射线，电压为40 kV，电流为30 mA，扫描角度为10°90°，扫描速率为4 (°)·min-1。采用岛津DUH-201S型动态超显微硬度计测定试样表面硬度，压头为正三角锥状金刚石，对角为115°，最大载荷为98 mN，加载速率为1.324 mN·s-1，加载时间为10 s。按照GB/T 7704-2008，利用MG4OP FS#4型残余应力测试仪测试试样表层残余应力，采样侧倾测试法，扫描方式为固定Ψ0法，Ψ0为X射线入射线与试样表面法线夹角，具体位置为±30°，±24.8°，±19.29°，±11.48°，±5.55°及0°。采用KR-260型表面粗糙度仪测定试样表面粗糙度Ra。

按照GB/T 3075-2008，采用EHF-UV100K1-040-0A型疲劳试验机对喷丸强化前后的TC18钛合金进行室温疲劳试验，疲劳试样形状及尺寸如图4所示，每组测8个平行试样，最大应力水平σmax为800 MPa，应力比R为0.1，试验频率fz为20 Hz。采用JSM-IT100型扫描电子显微镜(SEM)观察试样疲劳断口形貌，工作电压为20 kV。

图4 疲劳试样的形状及尺寸Fig.4 Shape and size of fatigue specimens

采用中值疲劳寿命N50作为疲劳试验的结果，中值疲劳寿命计算公式为

(1)

(2)

式中：n为每组试验中疲劳试样的个数；Ni为某一特定载荷下的疲劳循环次数。

2 试验结果与讨论

2.1 表面形貌

由图5可以看出，未喷丸强化试样表面存在较多磨削加工痕迹，而喷丸强化后试样表面加工痕迹明显减少甚至消失；在较低喷丸强度下，试样表面仅存在少量细小的加工痕迹和轻微的弹坑痕迹，随着喷丸强度的提高，加工痕迹逐渐消失但弹坑变得明显；当喷丸强度达到0.25～0.30 mm时，弹坑周围出现大量微裂纹，这可能会成为疲劳裂纹的萌生位置，使试样疲劳寿命降低。

图5 未喷丸和不同喷丸强度下激光增材制造TC18钛合金的表面形貌Fig.5 Surface morphology of laser additive manufactured TC18 titanium alloy without shot peening (a) and with different shot-peening intensities (b-d)

2.2 表面粗糙度及残余应力

由图6可以看出：喷丸试样的表面粗糙度明显高于未喷丸试样(即喷丸强度为0)的，随喷丸强度增加，试样表面粗糙度亦增加；0.15～0.20 mm和0.20～0.25 mm喷丸强度下试样表面粗糙度相差不大，0.25～0.30 mm喷丸强度下试样表面粗糙度较未喷丸试样的增大了3倍左右，这与图5的表面形貌相吻合。表面粗糙度的增加将不利于试样的疲劳寿命，因为表面粗糙度较大时，局部应力集中也随之增大，当应力大于材料的屈服强度时则会产生局部塑性变形，并导致裂纹萌生。

图6 不同喷丸强度下激光增材制造TC18钛合金的表面粗糙度Fig.6 Surface roughness of laser additive manufactured TC18 titanium alloy with different shot-peening intensities

由图7可知：未喷丸试样表层也存在一定残余压应力，这是由于喷丸前试样均经过机械车削加工所致；随着喷丸强度的增加，试样表面残余压应力增大，喷丸试样表面残余压应力比未喷丸试样的增大了70～120 MPa。表面残余压应力的存在可以降低外加载荷的不利影响，减小平均应力，提高疲劳裂纹萌生的抗力。

图7 不同喷丸强度下激光增材制造TC18钛合金的表面残余压应力Fig.7 Surface residual compressive stress of laser additive manufactured TC18 titanium alloy with different shotpeening intensities

2.3 硬 度

由图8可以看出，经喷丸强化后，试样表面纳米压入深度明显降低，说明喷丸处理使得激光增材制造TC18钛合金的纳米压痕硬度有所提高。利用纳米压入设备自带的软件进行数据处理，可得未喷丸强化试样的纳米硬度及弹性模量分别为356.84 GPa和91.7 GPa；0.20～0.25 mm喷丸强度试样的纳米硬度及弹性模量分别为417.11 GPa和144 GPa，两者较未喷丸试样的分别提高了17%和57%，其原因为喷丸强化后合金表层组织出现形变，形成了一定厚度的加工硬化层，抑制了疲劳裂纹萌生以及早期的裂纹扩展。

图8 未喷丸和0.20～0.25 mm喷丸强度激光增材制造TC18钛合金的纳米压入曲线Fig.8 Nano-compression curves of laser additive manufactured TC18 titanium alloy without shot-peening and with 0.20-0.25 mm shot peening intensity

2.4 疲劳寿命

由图9可以看出：未喷丸试样的中值疲劳寿命较低，约为83 600周次，喷丸强化后试样的中值疲劳寿命显著提高；随着喷丸强度的提高，试样疲劳寿命先增大后减小，0.20～0.25 mm喷丸强度试样的中值疲劳寿命最高，达226 600周次，约为未喷丸试样的2.7倍，强化效果最佳。喷丸工艺对疲劳寿命的影响是试样表面残余应力和表面粗糙度共同作用的结果。当喷丸强度小于0.25 mm时，随着喷丸强度的提高，试样表面车削痕迹逐渐消失，完整性得到提高，残余压应力增大，其对疲劳性能的提高作用高于表面粗糙度造成的不利影响，试样疲劳寿命提高。当喷丸强度增至0.25～0.30 mm时，弹丸撞击的力度增大，试样表面粗糙度进一步增大，并且开始出现微裂纹，这给疲劳裂纹的萌生创造了条件，试样表面受到较大的破坏，因此疲劳寿命又有所下降。

图9 不同喷丸强度下激光增材制造TC18钛合金的中值疲劳寿命Fig.9 Median fatigue life of laser additive manufactured TC18 titanium alloy with different shot-peening intensities

2.5 疲劳断口形貌

由图10可以看出，未喷丸试样的疲劳裂纹源位于距表面约400 μm处，而0.20～0.25 mm喷丸强度试样的疲劳裂纹源向内部转移，距离表面约800 μm，这是由于喷丸后材料表层发生塑性变形，硬度增大，裂纹萌生变得困难。此外，喷丸引入了数值更大、分布更深的残余压应力场，抑制了疲劳裂纹的扩展，因此可观察到喷丸试样的裂纹扩展区面积较未喷丸试样的更大，裂纹扩展时间的延长提高了试样的疲劳寿命。相比未喷丸试样凹凸不平、沟壑林立的断口形貌，喷丸强化试样的断口更加平整光滑，这主要是源于每个疲劳周次更短的裂纹扩展路径。0.25～0.30 mm喷丸强度试样的疲劳裂纹源几乎位于表面，这是由于喷丸强度过大使得表面产生了微裂纹；放大后可清晰地观察到该试样表层形成了约20 μm厚的疏松层，其内部存在较多孔洞，这进一步降低了试样的疲劳寿命。可见，过大或过小的喷丸强度均不利于激光增材制造TC18钛合金疲劳寿命的提高。

图10 未喷丸和不同喷丸强度下激光增材制造TC18钛合金的疲劳断口形貌Fig.10 Fatigue fracture morphology of laser additive manufactured TC18 titanium alloy without shot peening (a) and with different shot-peening intensities (b-d): (c) at low magnification and (d) at high magnification

3 结 论

(1) 随着喷丸强度的提高，激光增材制造TC18钛合金表面加工痕迹逐渐消失但弹坑变得明显，0.250.30 mm喷丸强度下出现微裂纹缺陷；试样表面粗糙度和表层残余压应力均随喷丸强度提高而增加；喷丸强化处理能够提高激光增材制造TC18钛合金的表面硬度和弹性模量。

(2) 随着喷丸强度的提高，激光增材制造TC18钛合金的疲劳寿命先增大后减小，0.20～0.25 mm喷丸强度试样的疲劳寿命最高，约为未喷丸试样的2.7倍；过高的喷丸强度会导致试样表层出现疏松层，疲劳裂纹源向外表面转移，疲劳寿命降低。