金属零件表面改性的喷丸强化技术

激光喷丸强化和传统的机械喷丸强化相比具有鲜明的特点和更大的优势；
（1）光斑大小可调，可以对狭小的空间进行喷丸。如可对微电机系统中微电机和开关的微米级金属零件进行激光喷丸[3]，而传统机械喷丸由于受弹丸直径等因素的限制则无法进行。
（2）激光脉冲参数和作用区域可以精确控制，参数具有可重复性，可在同一地方通过累积的形式多次喷丸，因而残余压应力的大小和压应力层的深度精确可控。
（3）激光喷丸形成的残余应力比机械喷丸形成的大，其深度比机械喷丸形成的要深。美国学者Hackel等人用镍合金Inconel718材料做机械喷丸和激光喷丸的对比实验，结果表明激光喷丸形成的压应力层深度是机械喷丸的3~4倍。
（4）激光喷丸使零件表面塑性变形形成的冲击坑深度仅为几个微米。光滑零件表面强化后，基本不改变其表面粗糙度，因而特别适合航空发动机叶片的表面强化，不但可使表面改性，而且还保持了叶片表面气流的通畅和原先设计时的力平衡。
（5）适用范围广，对碳钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金、钛合金及镍基高温合金等材料均适用。不必像机械喷丸那样，对于不同材质和硬度的零件需更换和使用不同的弹丸，甚至不能喷丸强化。
美国学者曾将某型号航空发动机钛合金的叶片分4种情况进行对比实验：①叶片边缘完好未刻V型槽，未喷丸；②叶片边缘关键部位刻1.5mm深的V型槽，未喷丸；③叶片边缘刻1.5mm深V型槽且进行高强度机械喷丸；④刻1.5mm深V型槽且进行激光喷丸。各组实验结果的平均值如图4所示，可以看出，机械喷丸和激光喷丸都能有效提高叶片的疲劳寿命，但激光喷丸效果更加显著。
激光喷丸强化是一种新技术。20世纪70年代初，美国贝尔实验室就开始研究用高密度激光束诱导的冲击波束来改善材料的疲劳性能。随着对激光器功率、脉宽、冲击波引起的应力波的波阵面形状等问题研究的深入和解决，尤其是较高激光脉冲重复率问题的解决，使激光喷丸强化走向实用化阶段，已经用于汽车、船舶和军工等领域。如美国空军实验室材料和制造分部的实验表明，一种典型的风扇叶片高的循环疲劳强度为690MPa，受小的外来物损伤后其疲劳强度降低到140MPa。而这种叶片进行激光喷丸强化后，受到大的外来物损伤后其疲劳强度仍保持690MPa。据称，GE公司为B-1轰炸机F101发动机的20000多片叶片及F-16战斗机的2000多片叶片进行了激光喷丸处理，结果叶片的失效率明显下降。
3 结束语
喷丸强化是改善金属材料表层物理机械性能最常用的方法之一，它能有效改善金属材料的强度、耐磨性和耐腐蚀性，还可用于使那些通常不能进行热处理的材料达到较高的硬度以及用于提高铝合金焊缝的强度，以有效地提高金属材料的疲劳寿命。喷丸强化工艺已引起人们的重视并得到应用，尤其是激光喷丸强化技术正越来越受工业界的青睐。

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