湿喷丸强化对TC4钛合金表面状态及疲劳性能的影响

TC4钛合金由于其密度小、比强度高、中温稳定性以及优异的耐腐蚀等性能，在航空航天领域有着比较广泛的应用。但其硬度低、耐磨性差、疲劳强度低等缺

点限制了其进一步发展应用。仅仅依靠钛合金自身固有的疲劳抗力难以满足航空结构件长寿命、高可靠性及高安全性的设计要求，为此，喷丸强化已经成为TC4钛合金结构件重要的表面强化处理技术。

湿喷丸表面强化是近年来发展活跃的喷丸技术，将陶瓷丸与水混合在一起，形成一定比例的固液混合介质。在喷丸过程中，试样表面形成一层液膜，起到减少摩擦和表面冷却的结果。科研人员主要研究了不同湿喷丸强度参数下TC4钛合金表面组织形貌及残余应力的变化规律，以探究湿喷丸强化工艺的作用机制以及对疲劳行为的影响规律。

试验所用的材料为3mm厚退火态TC4钛合金板材。湿喷丸设备为JY-120WB液体喷丸机，喷丸介质为新型陶瓷弹丸和水，陶瓷弹丸型号B60，规格125～250μm，维氏硬度值为860HV。喷丸强度分别为0.1～0.5mmN（N试片）共5组，覆盖率为200%。

喷丸强化技术是一种具有双刃剑特点的表面强化方法。湿喷丸强化对钛合金疲劳性能的影响主要归因于湿喷丸强化对材料表面状态的改变情况。在较低喷丸强度范围内，疲劳性能有益因素“残余压应力层”起主导作用，有效降低材料所受循环载荷，疲劳裂纹源从表面转移到次表层，疲劳强化效果随喷丸强度上升。在过高喷丸强化工艺下，发生局部剥层的表面损伤现象，“表面粗糙化”的不利因素起主导作用，促进裂纹源萌生，疲劳裂纹源发生在表层，抗疲劳改善效果随喷丸强度下降。因此，选择合理的喷丸强度，在保证一定深度的残余压应力层的同时，材料表面损伤较小，材料整体表面状态较好，从而使钛合金的疲劳性能改善效果最为明显。

研究结果表明，湿喷丸强化在材料表面引入残余压应力场，随喷丸强度增加残余压应力层变深。喷丸强度为0.1～0.2mmN时，材料表面机加工痕迹得到有效去除，且表面粗糙度降低。湿喷丸强化后，材料表层位错密度增加，晶粒细化。湿喷丸强化能够明显改善TC4合金疲劳性能，改善效果和喷丸强度间不是单调关系，即存在最优喷丸工艺参数。在喷丸强度0.3mmN条件下，疲劳寿命是基材的1.93倍，改善效果最明显。