抗疲劳制造技术现状与发展趋势*

王小海,刘国强,杨俊峰,王 磊,潘树民,王艳丽

(中国兵器内蒙古第一机械集团股份有限公司,内蒙古 包头 014030)

零件抗疲劳制造是一门跨学科的研究领域,它涉及到众多要素的影响,如加工品质、过载、高周疲劳、低周疲劳、腐蚀、热环境等[1]。同时,疲劳学还与数学、物理、化学和金属学等学科有着密切的联系。疲劳学不仅关注材料的微观结构变化,也研究其宏观表现。在疲劳学的研究中,机理和理论的研究与实验科学的分析同样重要。

国际标准化组织于1964年在《金属疲劳试验的一般原理》中定义了“疲劳”一词,强调了高疲劳强度和低裂纹扩展速率是结构件获得抗疲劳性的重要保证。美国试验与材料协会进一步细化了这一定义,指出在某一点或某些点承受扰动应力,并在多次循环扰动作用后形成裂纹或完全断裂的过程,称为疲劳[2-3]。疲劳学主要研究在交变载荷作用下材料、结构的强度-应力-寿命之间的交互关系[4]。即使应力值没有超过材料的疲劳极限,甚至低于弹性极限,材料或结构也可能在重复的交变载荷下发生破坏,这就是疲劳破坏。为了提升材料的疲劳性能,延长构件的使用寿命,学者们提出了抗疲劳制造技术理念:在零件结构和材料不变的前提下,以改变微观结构、应力分布状态为技术路径,实现零件疲劳寿命提升的目的。

美国早在1948年就针对抗疲劳机械加工技术开展了研究工作,主要针对2024铝合金、4340超高强度钢、Ti6Al4V钛合金以及Inconel 718高温合金等。20世纪70年代初,美国空军材料实验室发布了《机械加工构件表面完整性指南》,标志着抗疲劳制造技术的初步形成[5]。美国F-15、F-16等战机的寿命达到了5 000飞行小时也得益于美国空军颁布的军用飞机安全-寿命设计规范。20世纪70年代以来,包括复合表面强化技术、低应力精密制造技术等的抗疲劳制造技术得到了长足发展。其中,表层硬化工艺的应用能够使结构件的疲劳寿命提高20～40倍,超声喷丸和激光冲击等技术在抗疲劳制造方面的应用也取得了显著的成果。据报道,应用抗疲劳制造的B-1飞机机翼作动筒可以有效实现零部件的减重,相比于Ti6Al4V合金,AF1410超高强度钢部件可以减重10.6%,而同时可以降低成本30%以上[6]。

我国也开展了大量的抗疲劳制造研究工作,并取得了一些显著的成果。例如,通过采用抗疲劳制造技术,超高强度钢30CrMnSiNi2A制造的机翼主梁的寿命得到了显著提高[7]。经过抗疲劳加工后,其疲劳裂纹萌生的安全寿命达到了23 651飞行小时,比之前的4 650飞行小时有了大幅度提升[8]。此外,在先进材料制造领域,高温合金K4169构件表面采用复合表面强化手段后,其残余压应力得到了显著提升,有效延长了高温合金构件的疲劳寿命[9]。

然而,尽管取得了一些成果,但抗疲劳制造仍然面临着许多挑战。过早的疲劳失效是目前许多主承力构件面临的主要问题。为了解决这些问题,需要进一步加强抗疲劳制造技术的研究和应用推广,以实现更长寿命和高可靠性的材料和结构。

1 抗疲劳制造概述

影响疲劳寿命的因素非常复杂,涉及所采用材料的强度、零件的尺寸效应、表面效应,如表面残余应力、表面显微组织和缺口效应,以及使用环境下的腐蚀状况等[10]。通常情况下如构件和结构的表面状态、缺口形式等对材料或零件的静态特性影响微小的因素,对疲劳寿命的影响却起到了至关重要的作用。因此,为了更好地探索抗疲劳制造的有效途径,需深入了解和把握各种因素对疲劳强度的影响规律。

抗疲劳制造是一种先进制造技术与理念的集成,其涉及结构件全周期制流程[11]。例如,在表层硬化技术领域中,主要涉及以接触疲劳为主要失效模式的典型结构件;在机械加工技术领域,主要关注以表面完整性为主要要素的典型结构件;而在表层组织再造改性技术领域,则聚焦于以疲劳为主要失效模式的构件。

抗疲劳原则和“无应力集中”的抗疲劳概念是高强度合金构件的设计、制造加工以及组合装配过程中必须遵循的法则,其通过降低应力集中的抗疲劳设计方法和制造技术来实现抗疲劳制造。

抗疲劳制造学融合了单一学科的基础性与多学科交叉性,是一整套系统提升结构件疲劳性能的关键技术。包括基础研究领域数学-物理-化学交叉及其耦合演化规律和原理;在应用基础领域,抗疲劳表面演化、重构中所蕴含的科学规律和原理;以及涉及抗疲劳技术支撑路径的各种科学原理等。此外,在工程实践领域,还涉及表面完整性指标的表征、评价和检测技术等。除了常规的形位、尺寸精度、表面粗糙度、硬度等信息外,还需要对疲劳、应力腐蚀、微观组织结构、应力场及其他性能进行深入的检测和研究[12]。在进行这些检测时,除了使用X射线仪等无损检测仪器外,还需要借助电子显微镜如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨率电子显微镜(HRTEM)等进行细致的观察和分析。

1.1 疲劳性能的影响因素

1)疲劳强度-静拉强度-硬度交互关系。

就常见的钢铁材料而言,其疲劳强度与静拉强度和硬度之间存在着一定的比例关联。通过这种关联,可以推算出材料的疲劳强度数值。

2)微观组织。

不同的热处理工艺参数会导致不同的组织状态与力学性能,进而产生不同的的疲劳强度。

3)表面状态。

金属零部件表面完整性指标的变化都可能导致疲劳寿命的显著差异。在一定条件下,表面状态越好,其疲劳性能也就越高。

4)应力集中。

应力集中是一个关键因素,应力集中区域通常是疲劳裂纹的起源。随着应力集中系数的增加,其疲劳开裂的倾向也就越大。

5)尺寸效应。

随着零部件尺寸的增大,形状相似但大小不同的零部件的疲劳强度通常呈下降趋势。一般来说,由于尺寸的增加,其材料性能的连续性在下降,导致疲劳性能的降低。

6)残余应力。

存在于结构件表面的残余应力对其疲劳寿命有着双重作用,即在优化零部件内部应力分布的同时,也会提升结构件的疲劳性能。特别值得注意的是,零部件表层的残余压应力对于提升疲劳强度,尤其是对有缺口的零部件,具有显著的效果[13]。

7)环境介质。

环境介质(如强酸、强碱、高盐等腐蚀环境)对结构件的疲劳性能有着不可忽视的影响。腐蚀介质会侵蚀金属表面晶界,导致金属结构件疲劳性能的大幅下降。这种由腐蚀介质引发的疲劳是金属在特定环境下的一种重要失效模式。

1.2 提高疲劳性能的途径

提高金属材料的抗疲劳性能,可以从以下4个方面进行。

1)进行优化选材和设计:根据实际需求和工作环境,选择具有优良抗疲劳性能的金属材料,并注重零件的细节设计。在设计中,应关注减少可能导致应力集中的因素,从而提高整体结构的稳定性。同时,要重视加工精度和表面粗糙度的控制,确保零件的表面质量,进一步增强其抗疲劳性能。

2)细化显微组织和提高冶炼精度:采用晶粒细化措施,细化表层组织,降低非金属夹杂物含量。这可以提高材料的整体均匀性和连续性,进一步增强其抗疲劳性能。同时,提高冶炼精度也是确保材料质量的关键步骤。

3)引入残余压应力:通过特定的处理方法,在金属材料的表层,人为引入高残余压应力。这种压应力可以有效地抵消部分外部应力,降低应力集中的程度,从而延长疲劳寿命。

4)梯度组织强韧性匹配:在保证心部材料强度满足要求的前提下,通过适当的热处理、表面强化等方法,来提高表层的静态力学性能。在循环应力作用下,结构件的表层受到外加载荷的作用产生局部塑性形变,从而达到延长疲劳寿命的目的。

2 抗疲劳工艺方法

2.1 物理改性

物理方法通过处理使得零部件表层发生的相变而不是改变表层的化学成分来提升零件的疲劳强度。常见的表层物理处理工艺包括火焰淬火、高频感应加热淬火和中频感应加热淬火等。随着感应热处理应用领域逐渐广泛,感应淬火以其“高效、易控制、低能耗、自动化程度高”等特征,从先前单一的提高耐磨性发展到提高抗弯扭以及疲劳强度等工况,取得了一定的进展[14]。曲轴、轧辊、齿轮等重要基础元件均采用感应热处理来提升结构件的疲劳强度和服役性能。目前,随着感应热处理技术的推广,火焰淬火技术已被感应淬火所替代。近年来,超声波、双频感应加热淬火等新方法也得到了发展[15-16]。特别是双频感应加热淬火工艺,克服了传统渗碳工艺“能耗高、周期长、变形大”等不足,美国、德国等先进制造国家开展了齿轮、轧辊等重要基础元件双频感应加热淬火工艺研究,找到了提升基础元件抗疲劳性能的技术路径[17]。

通过物理改性火焰热处理、感应热处理等强化方法可以有效细化淬硬层中的马氏体尺寸,在相变过程中获得具有高强韧性能的微观组织。与常规固溶相变强化相比,物理改性后的结构件所获得的硬度和强度更高,更易获得较高的疲劳强度。此外,物理改性技术可使结构件淬硬层中产生较大的残余压应力,有效抑制裂纹的萌生,因而显著提高结构件的疲劳性能。

2.2 化学改性

化学改性技术是提高结构件抗疲劳性能的一条重要技术手段,其主要由活化-分解-吸附-扩散等阶段,利用化学改性方法引入碳、氮等强化元素来改变材料表面的化学成分,这些强化元素在扩散过程中会形成强化元素梯度分布的扩散层,显著提高结构件表层的硬度与强度,增加处理表层的残余压应力,有利于增强材料的疲劳性能。

化学改性方法主要包括渗碳、渗氮、复合硬化工艺、离子注入等工艺。K.Dybowski等[18]研究了AMS6265齿轮钢在950 ℃低压渗碳后油淬和气淬两种淬火方式对齿轮表面的残余应力和热处理畸变的影响规律。研究结果表明,AMS6265齿轮钢渗碳后热处理过程中,采用气体淬火可有效降低齿轮表面的残余应力,并大幅度降低热处理畸变,减少齿轮后续磨削加工量,进而提高疲劳性能。J.F.Canon[19]对渗氮层的微动性能进行了研究,发现当表面机械强度提高时,其表面损伤程度会相应降低。当化学改性后的结构件表层获得较高的残余压应力和屈服强度时,可有效降低结构件表面单位面积的载荷,延长了裂纹形核时间,降低了扩展速率,结构件表面的磨损大幅度降低,有利于提高结构件的微动疲劳性能。X-20M齿轮钢经复合硬化工艺后,表面硬度可达68～72 HRC,较传统渗碳工艺相比,其弯曲疲劳寿命提升约100倍。研究结果表明:经离子注入后的GCr15轴承钢90%置信度下接触疲劳寿命提高99.6%,显著提高GCr15轴承钢结构件疲劳性能。

2.3 形变强化

采用形变强化工艺方法,可以使结构件表层产生弹塑性变形层,使得表层微观组织发生变化,导致产生较高残余压应力,进而改善结构件疲劳性能。这种压应力有助于减少疲劳裂纹的形成,并抑制疲劳裂纹的早期扩展[20-21]。

机械改性方法是抗疲劳制造中的重要手段,包括滚压、挤压、喷丸、干涉配合和抛光处理等[22-27]。其中,结构件喷丸、挤压、滚压等强化工艺在改变疲劳强度和服役性能方面应用广泛[28-29]。在喷丸技术应用方面,齿轮、叶片等大型复杂结构件均采用喷丸工艺作为表面强化的关键手段,在提高结构强度的同时,也提升了结构件的疲劳性能。在挤压技术应用方面,包括芯棒挤压和开缝衬套挤压技术在内的孔冷挤压强化工艺,已被广泛应用于军用和民用飞机,其抗疲劳效果显著[30]。在滚压技术应用方面,因滚压强化属于无切削损伤的表面强化技术,在对结构件滚压过程中,材料表面及其亚表面产生塑性变形,达到显微组织冷硬化和细晶强化的目的,提升了结构件的疲劳性能[31]。在挤压技术研究方面,研究人员通过对GH4169高温合金结构件进行机械挤压试验发现,挤压强化可显著降低结构件孔壁表面的粗糙度,减缓孔壁表面的应力集中程度,从而实现提升结构件疲劳性能的目的[32]。在干涉配合方面,目前干涉配合对结构件疲劳性能的影响研究尚不充分,因此需加强强化过程-装配过程-载荷条件交互关系研究,建立强化-装配-载荷耦合关系,为研究多要素影响下的装配过程对抗疲劳性能增益提供支撑。在抛光处理方面,研究人员研究了不同工艺流程对结构件疲劳性能的影响。研究结果表明,铣削-抛光-喷丸-抛光-复合工艺可实现结构件疲劳性能的最大化,且裂纹萌生位置位于结构件的亚表面[33]。

2.4 高能束改性

高能束处理技术以其独特的能量密度特性,在物理、化学和机械等多个方面展现出显著的效果。材料局部表面施加以极高密度的能量,可以使处理表面发生特殊的物理、化学变化,从而显著提高材料的抗疲劳性能。由于其独特的优势,高能束处理技术具有广阔的发展和应用前景[34]。

目前,激光喷丸、激光相变强化、激光熔凝、激光熔敷及离子注入等高能束处理技术正在被深入研究并应用于抗疲劳制造。这些技术具有巨大的发展潜力,为抗疲劳制造提供了新的解决方案。激光相变硬化工艺在提高材料疲劳性能方面表现出显著的效果。它通过改变材料表面的物理状态,强化材料并提高其疲劳性能。同时,处理后的表层内应力为压应力,有助于提高材料的疲劳寿命。在提高金属材料疲劳寿命方面,激光冲击已经展现出取代传统喷丸处理的趋势[35]。

离子注入技术通过在材料中引入固溶强化、析出强化和压应力来提高材料的抗疲劳寿命。这种技术在提高精密结构件的抗疲劳性能方面发挥重要的作用,因为它能够在保持零件尺寸精度和表面粗糙度的同时,实现抗疲劳性能的提升。

实际应用中,为了充分发挥各自的优势和特点,获得更好的抗疲劳效果,通常是多种抗疲劳制造方法复合使用。例如,干涉配合技术和带衬套挤压技术相结合的方法能够显著提高材料的抗疲劳性能。这种复合方法的应用前景广阔,为抗疲劳制造技术的发展提供了新的思路和方向。

3 先进抗疲劳制造先进技术

3.1 复合喷丸强化

喷丸强化工艺作为一种有效的抗疲劳制造技术途径,广泛应用于航空、航天、汽车、运载等高端装备制造领域。通过对结构件表层喷射弹丸,使表层在冷作硬化作用下产生残余压应力。结构件表面金属晶体在高速运动的弹丸流不断冲击下,发生晶粒破碎、晶格歪扭并产生大量的高密度位错[36]。表面金属材料发生塑性变形,在结构件表层和亚表面形成残余压应力及应力梯度。喷丸强化时,钢丸流反复向结构件表面冲击产生2个方向的力:切向力造成表面弹塑性延伸;法向力引起赫之应力,造成一定深度内的最大切应力,引起该区域的弹塑性喷丸后塑性变形的保留与弹性变形的松弛,使结构件表层产生残余压应力[37]。

通过前期研究喷丸强度、弹丸直径等工艺参数对齿轮疲劳寿命的影响发现,喷丸工艺会显著改善材料的疲劳性能,提升幅度可达20%～30%,是延长齿轮服役寿命的重要工艺手段。研究人员对喷丸与未喷丸齿轮表面点蚀数量进行了研究,结果表明:喷丸强化可显著提升齿面抗点蚀能力[38]。随着喷丸强化工艺技术的不断进步,数字化喷丸技术、激光喷丸技术、超声喷丸技术等一大批先进喷丸技术得到应用,为提升结构件疲劳性能提供支撑。

3.2 高压射流改性

高压射流改性技术是近三十多年来迅猛发展的新技术之一,其具有“能量高、改性层深、应用范围广、零污染”等典型技术特征。其改性路径为结构件表层在多种介质高速冲击、碰撞下发生了弹塑性变形,产生了残余压应力,从而提高了结构件的周期疲劳强度。研究表明[39-40],对镍基高温合金GH4169结构件进行高压射流改性,可产生残余压应力层深约为1 mm的压应力梯度层,疲劳极限提升1倍以上,低周疲劳寿命可提升30%以上。

与传统的喷丸强化相似,高压射流改性工艺的强化作用也由组织强化和应力强化共同构成,可有效控制疲劳源的萌生和裂纹的扩展。高压射流改性技术具有先进性和优势,目前该技术的研究刚刚起步,理论和技术仍有待进一步发展和完善。

3.3 激光冲击强化

激光冲击处理技术(Laser Shock Processing)是一种新型的表面强化技术,它利用高功率密度(GW/cm2)和短脉冲(ns量级)激光束在金属材料或零件表层产生数百兆帕的残余应力,从而提高金属材料性能。由于其强化原理与喷丸相似,因此也被称为激光喷丸(Laser Shock Peening)[41]。

短脉冲激光束作用于金属表面时,激光能量被金属表面吸收层吸收,并使表层金属发生爆炸性气化蒸发,产生高温、高压的等离子体。受到约束的等离子体产生冲击波,这种高强度压力的冲击波作用于金属表面并向内部传播。冲击波峰值压力超过材料屈服强度时,材料表层就会发生应变硬化,并残留很大的压应力。

材料发生塑性变形的原因是在激光冲击波作用下,冲击区内产生平行于材料表面的拉应力,而当激光作用结束后,在冲击区周围材料的反作用下冲击区产生了压应力[42]。这种残余压应力可以降低交变载荷中的拉应力水平,从而提高疲劳裂纹萌生寿命。同时,残余压应力会导致裂纹的闭合效应,使疲劳裂纹扩展的有效驱动力降低[43]。

综上所述,激光冲击处理技术通过在金属材料表层产生高强度压应力,改善了金属材料的抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力,从而延长了金属材料的使用寿命。

3.4 滚压强化

滚压强化技术是结构件抗疲劳制造重要工艺,它可使结构件的强度得到提高,其产生的残余压应力则能消除结构件因机械加工、热处理、焊接、激光切割、电镀或硬化涂层形成的拉应力。滚压过程中晶粒晶格的畸形在使用过程中不易产生裂纹扩展,从而提高零件的抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力,延长零件使用寿命[44]。随着滚压技术的发展,超声滚压技术逐渐推广,它克服传统滚压工艺“低效、过硬化、硬化层剥落”等瓶颈问题,有效提升结构件的抗疲劳性能。研究人员通过工艺模拟仿真与工艺验证的方式验证了超声滚压技术对提升结构件抗疲劳性能的作用。黄丽满[45]研究了25CrNi2MoVA钢超声滚压工艺,获得了优化工艺并进行了疲劳性能试验,其疲劳极限可达970 MPa,有效提升了该钢种的疲劳性能。屈盛官等[46]研究了超声表面滚压加工对20CrMoH钢摩擦磨损性能的影响,研究结果表明:超声表面滚压工艺可改善材料的表面质量,细化组织,提升表面硬度、残余压应力与耐磨性能,进而为提升抗疲劳性能提供支撑。

3.5 表面完整性加工

中国工程院赵振业院士指出,表面完整性是指通过控制加工工艺方法所形成的表面状态,它涵盖了制造过程中材料表面可能发生的各种改变及其对构件性能的影响。为了确保构件的表面完整性,必须发展和采用抗疲劳制造技术。抗疲劳制造的核心在于控制表面完整性,它以疲劳性能为主要目标,并采用先进的制造技术[47]。这与传统的“成形”制造方法存在显著差异。

应力集中是疲劳研究中的核心问题,主要来源于结构设计、制造加工以及使用环境的影响。局部细节设计的优化可以缓解结构设计中的应力集中;通过表面防护措施可以预防使用环境引发的缺陷,如腐蚀麻点。然而,制造加工所形成的刀痕、划伤等缺陷常常会提高结构的应力集中系数,给零部件带来极大的安全隐患。研究显示[48],硬度越高的材料,其对应力集中越敏感,因而这类材料加工过程中产生的应力集中更为突出。在高硬度构件上,应力集中甚至可能超过抗拉强度,导致材料完全丧失抗疲劳性能。在疲劳失效的高强度构件中,超过80%的裂纹起始于刀痕、划伤或夹杂物等缺陷处。

研究学者们对高强度构件的应力集中敏感问题与表面完整性加工进行了大量研究,涉及工艺参数、新工艺、模拟和预测以及基础理论等多个方面。机械加工过程中,最终的精加工步骤(如磨削、铰削、铣削等)对表面完整性起着决定性作用[49]。严重影响材料的使用寿命和可靠性的零部件表面损伤、表层组织和残余应力场的变化均与切削过程中的热、力以及环境因素等有关。

近年来,随着新工艺技术的不断发展,涌现出了许多先进技术,如高速铣削、车削、磨削、低应力磨削、预拉应力磨削技术、高能表面改性技术、表面超硬化技术、表面完整性评价和精密定量检测技术以及加工过程的计算机模拟和预测技术等。这些新工艺技术具有多学科交叉的特点,融合了材料技术、制造技术、物理、化学、力学等多个领域的知识,形成了一种综合性的工程学科领域[50]。

4 抗疲劳制造技术发展趋势

抗疲劳制造是一种先进的制造技术,同时也是一种全新的制造理念。这一理念覆盖了构件制造的主要技术领域,包括表层硬化技术、机械加工技术以及表层组织再造改性技术等。在这些领域中,抗疲劳制造的应用旨在提高构件的疲劳性能,延长其使用寿命。

抗疲劳制造的理念强调在构件的设计、制造加工以及组合装配的全过程中,都应遵循抗疲劳的原则,采用降低应力集中的抗疲劳设计方法和制造技术。

在过去的几十年中,抗疲劳制造技术不断创新发展,使构件的服役性能得到了显著提升。然而,随着高性能、小型化、轻量化、经济可承受性和超高强度材料技术的发展,抗疲劳制造的重要性愈发凸显。特别是美国国防部在20世纪末提出的CAIV(Cost as an Independent Variable)理念,即性能与费用同等重要的经济可承受观念后,抗疲劳制造显得尤为重要。

作为一个具有完整制造体系的国家,我国在飞机、车辆、舰船及其动力装置、各种精密机械等领域均需要实现抗疲劳制造。这不仅有助于提高产品的性能和可靠性,还有助于推动我国制造业的转型升级和高质量发展。随着技术的不断进步和应用领域的拓展,抗疲劳制造将迎来更加广阔的发展前景和更高的技术平台。

抗疲劳制造的科学内涵十分复杂,涉及众多科学问题和方法的解决。在构筑抗疲劳表面时,需要研究物理、化学及其耦合演化规律和原理;在构件服役过程中,需要探索抗疲劳表面演化、重构的各种科学规律和原理;在设计抗疲劳制造方法时,也需要探究各种科学原理。

此外,抗疲劳制造还涉及表面完整性表征、评价和检测技术。除了常规的形位、表面粗糙度、硬度等信息外,还需要对疲劳性能、应力腐蚀、组织结构、应力梯度以及其他表面完整性性能进行检测。

5 结语

抗疲劳制造技术在航空、航天、车辆、铁路交通和风电等领域中发挥着至关重要的作用。通过对抗疲劳制造技术的现状和发展趋势进行全面的分析,可以深入了解该领域的最新进展和未来的发展方向。随着智能制造技术和新材料研发的不断进步,有望进一步扩展抗疲劳制造技术的应用领域,并不断提升其性能和可靠性。期待该领域的研究与实践能够不断取得创新成果,为相关工业领域的进步和发展做出更大的贡献。