鈦合金進(jìn)行陶瓷丸噴丸強(qiáng)化，了解氧化鋯陶瓷砂丸強(qiáng)度對(duì)其表面形貌、表面粗糙度、表層殘余壓應(yīng)力、硬度和疲損性能的影響。結(jié)果表明：隨著噴丸強(qiáng)度的提高，合金表面加工痕跡逐漸消失但彈坑變得明顯，表面粗糙度和殘余壓應(yīng)力均加大；氧化鋯噴丸強(qiáng)化可以提高合金的硬度和彈性模量；隨著噴丸強(qiáng)度的提高，合金疲損壽命先加大后減小，疲損裂紋源先從表面向材料內(nèi)部轉(zhuǎn)移，后回到表層；0.2-0.25mm噴丸強(qiáng)度試樣的疲損壽命高。

TC18鈦合金是一種高強(qiáng)高韌準(zhǔn)α＋β鈦合金，其耐腐蝕性能好、成型能力強(qiáng)、退火狀態(tài)下強(qiáng)度高，適用于制備航空主承力結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)起落架支柱、扭力臂及支架等零件。疲損是航空鈦合金零件的主要失效形式之一，約占總失效形式的７０％，提高材料的抗疲損性能是降低零件失效風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。表明，噴丸強(qiáng)化作為工業(yè)生產(chǎn)中為常用的表面強(qiáng)化工藝之一，能夠有效提高材料的疲損壽命。何少杰等發(fā)現(xiàn)材料表層的殘余應(yīng)力對(duì)零件的疲損壽命具有較大影響，殘余拉應(yīng)力是導(dǎo)致材料疲損斷裂的重要因素之一。而噴丸強(qiáng)化產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力能夠壓制裂紋擴(kuò)展，在一定程度上提高零件的疲損壽命。ＢＡＮＤＡＲ等發(fā)現(xiàn)，噴丸強(qiáng)化可以產(chǎn)生表面加工硬化，有效提高材料的表面硬度，加大表面殘余壓應(yīng)力層的深透，從而改善材料的疲損性能。

噴丸強(qiáng)化工藝通常利用氧化鋯陶瓷砂、玻璃丸、鋼丸等對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)化。其中，陶瓷丸因組織細(xì)密、強(qiáng)度高、變形小而廣泛應(yīng)用于航空航天行業(yè)。與玻璃丸相比，陶瓷丸破碎率低，破碎后碎片保持原始形狀，表面光滑，且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染。與鋼丸相比，陶瓷丸具有化學(xué)惰性，不易與金屬發(fā)生反應(yīng)，且不易對(duì)受噴零件尤其是鈦合金、鋁合金等金屬造成腐蝕和污染。

未噴丸強(qiáng)化試樣表面存在較多磨削加工痕跡，而噴丸強(qiáng)化后試樣表面加工痕跡明顯減少甚至消失；在較低噴丸強(qiáng)度下，試樣表面僅存在少量細(xì)小的加工痕跡和輕微的彈坑痕跡，隨著噴丸強(qiáng)度的提高，加工痕跡逐漸消失但彈坑變得明顯；當(dāng)噴丸強(qiáng)度達(dá)到0.25-0.3mm時(shí)，彈坑周圍出現(xiàn)大量微裂紋，這可能會(huì)成為疲損裂紋的萌生位置，使試樣疲損壽命降低。

表面粗糙度及殘余應(yīng)力由圖６可以看出：噴丸試樣的表面粗糙度明顯高于未噴丸試樣（即噴丸強(qiáng)度為０）的，隨陶瓷砂強(qiáng)度增加，試樣表面粗糙度亦增加；0.15-0.2mm和0.2-0.25mm噴丸強(qiáng)度下試樣表面粗糙度相差不大，0.25-0.3mm噴丸強(qiáng)度下試樣表面粗糙度較未噴丸試樣的加大了３倍左右，這與圖５的表面形貌相吻合。表面粗糙度的增加將不利于試樣的疲損壽命，因?yàn)楸砻娲植诙容^大時(shí)，局部應(yīng)力集中也隨之加大，當(dāng)應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)則會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形，并導(dǎo)致裂紋萌生。

由圖７可知：未噴丸試樣表層也存在一定殘余壓應(yīng)力，這是由于噴丸前試樣均經(jīng)過機(jī)械車削加工所致；隨著噴丸強(qiáng)度的增加，試樣表面殘余壓應(yīng)力加大，噴丸試樣表面殘余壓應(yīng)力比未噴丸試樣的增大了７０～１２０ＭＰａ。表面殘余壓應(yīng)力的存在可以降低外加載荷的不利影響，減小平均應(yīng)力，提高疲損裂紋萌生的抗力。

硬度

由圖８可以看出，經(jīng)噴丸強(qiáng)化后，試樣表面納米壓入深透明顯降低，說明氧化鋯陶瓷砂處理使得激光增材制造TC18鈦合金的納米壓痕硬度有所提高。利用納米壓入設(shè)備自帶的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可得未噴丸強(qiáng)化試樣的納米硬度及彈性模量分別為３５６８．４ＧＰａ和９１７．ＧＰａ；0.2-0.25mm噴丸強(qiáng)度試樣的納米硬度及彈性模量分別為４１７１．１ＧＰａ和１４４ＧＰａ，兩者較未噴丸試樣的分別提高了１７％和５７％，其原因?yàn)閲娡鑿?qiáng)化后合金表層組織出現(xiàn)形變，形成了一定厚度的加工硬化層，壓制了疲損裂紋萌生以及早期的裂紋擴(kuò)展。

疲損壽命

由圖９可以看出：未噴丸試樣的中值疲損壽命較低，約為836000周次，噴丸強(qiáng)化后試樣的中值疲損壽命顯著提高；隨著噴丸強(qiáng)度的提高，試樣疲損壽命先加大后減小，0.2-0.25mm噴丸強(qiáng)度試樣的中值疲損壽命高，達(dá)226600周次，約為未噴丸試樣的27倍，強(qiáng)化效果佳。噴丸工藝對(duì)疲損壽命的影響是試樣表面殘余應(yīng)力和表面粗糙度共同作用的結(jié)果。當(dāng)噴丸強(qiáng)度小于0.25mm時(shí)，隨著噴丸強(qiáng)度的提高，試樣表面車削痕跡逐漸消失，完整性得到提高，殘余壓應(yīng)力加大，其對(duì)疲損性能的提高作用高于表面粗糙度造成的不利影響，試樣疲損壽命提高。當(dāng)噴丸強(qiáng)度增至0.25-0.3mm時(shí)，彈丸撞擊的力度加大，試樣表面粗糙度進(jìn)一步加大，并且開始出現(xiàn)微裂紋，這給疲損裂紋的萌生創(chuàng)造了條件，試樣表面受到較大的破壞，因此疲損壽命又有所下降。

疲損斷口形貌

由圖10可以看出，未噴丸試樣的疲損裂紋源位于距表面約400μｍ處，而0.2-0.25mm噴丸強(qiáng)度試樣的疲損裂紋源向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，距離表面約800μｍ，這是由于噴丸后材料表層發(fā)生塑性變形，硬度加大，裂紋萌生變得困難。此外，噴丸引入了數(shù)值更大、分布更深的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，壓制了疲損裂紋的擴(kuò)展，因此可觀察到噴丸試樣的裂紋擴(kuò)展區(qū)面積較未噴丸試樣的更大，裂紋擴(kuò)展時(shí)間的延長(zhǎng)提高了試樣的疲損壽命。相比未噴丸試樣凹凸不平、溝壑林立的斷口形貌，噴丸強(qiáng)化試樣的斷口更加平整光滑，這主要是源于每個(gè)疲損周次更短的裂紋擴(kuò)展路徑。0.25-0.3mm噴丸強(qiáng)度試樣的疲損裂紋源幾乎位于表面，這是由于噴丸強(qiáng)度過大使得表面產(chǎn)生了微裂紋；放大后可清晰地觀察到該試樣表層形成了約２０μｍ厚的疏松層，其內(nèi)部存在較多孔洞，這進(jìn)一步降低了試樣的疲損壽命。

可見，過大或過小的噴丸強(qiáng)度均不利于激光增材制造TC18鈦合金疲損壽命的提高。

結(jié)　論

（１）隨著陶瓷砂強(qiáng)度的提高，激光增材制造TC18鈦合金表面加工痕跡逐漸消失但彈坑變得明顯，2.5-3.0mm噴丸強(qiáng)度下出現(xiàn)微裂紋缺陷；試樣表面粗糙度和表層殘余壓應(yīng)力均隨噴丸強(qiáng)度提高而增加；噴丸強(qiáng)化處理能夠提高激光增材制造TC18鈦合金的表面硬度和彈性模量。

（２）隨著氧化鋯陶瓷砂強(qiáng)度的提高，激光增材制造TC18鈦合金的疲損壽命先加大后減小，0.2-0.25mm噴丸強(qiáng)度試樣的疲損壽命高，約為未噴丸試樣的２７倍；過高的噴丸強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致試樣表層出現(xiàn)疏松層，疲損裂紋源向外表面轉(zhuǎn)移，疲損壽命降低。