利用喷丸处理提升材料表面性能 | MDPI Materials
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文章导读
近年来，具有优异表面完整性的材料在国防、医疗、工业和汽车应用中发挥着至关重要的作用。表面改性指的是金属和合金领域中通过改变表面完整性，以获得优异机械性能，从而提高使用寿命的常用技术。其中，喷丸处理是一种在工业上广泛应用的简单和最有效的表面改性技术。美国内华达大学里诺分校的 Pradeep L. Menezes 研究团队在 Materials 期刊发表文章，全面综述了喷丸 (Shot Peening, SP)、超声冲击喷丸 (Ultrasonic Impact Peening, UIP) 和激光冲击喷丸 (Laser Shock Peening, LSP) 三种主要喷丸技术的工艺原理对各种机械性能的影响，及其应用和发展前景。本研究对于了解喷丸处理具有重要意义。
研究过程和结果
SP 利用压缩空气加速大、量小而硬的丸粒撞击目标材料 (图 1)，使材料表面产生塑性变形，从而形成凹痕，凹痕底下的弹性变形在恢复时会在材料表面产生残余压应力。喷丸强度和喷丸覆盖率是 SP 工艺中影响最大的参数；UIP 使用超声喷丸枪对材料施加高频振动，使材料表面产生塑性变形和残余压应力，形成致密层，增大振动频率可以显著提高喷丸效果；LSP 利用高能脉冲激光诱导材料产生等离子体，等离子体受到约束层约束，冲击材料表面会产生残余压应力和表面硬化。
图 1. 不同喷丸处理工艺和材料表面的塑性变形示意图。
喷丸处理能够细化表面微结构、诱导残余压应力和改变表面形貌，从而显著提升材料表面的硬度、耐磨性、疲劳寿命、耐腐蚀性、抗拉强度等力学性能。
其中，LSP 技术在压应力深度和幅值、表面光洁度、表面损伤、精度和灵活性方面显著优于 SP 和 UIP。LSP 技术已成功应用到铝合金、各类钢种、钛合金、镁合金、陶瓷、超级合金和黄铜等多种材料。目前 LSP 面临的潜在挑战在于，LSP 处理可能会引起材料尺寸变化；且 LSP 处理薄片时，如果残余压应力在截面厚度上分布不均，被处理的表面下会有拉伸应力残留；过度的 LSP 处理还会导致材料内部破裂；此外，与其他喷丸技术相比，LSP 的成本更高。
在应用方面，SP 通常被用于增强汽车和航空航天的各种零件在工作时对静态和动态载荷的承受能力；UIP 被广泛应用于降低增材制造的孔隙率以及消除焊接结构的残余拉应力；LSP则被用于增强核反应堆罐的抗应力腐蚀开裂性能，以及增加生物可降解骨科植入物的抗腐蚀和疲劳性能。
喷丸处理的效果取决于所选择的材料和参数。喷丸的参数很多而且复杂，不合适的参数会缩短材料使用寿命、增大表面粗糙度和降低材料性能。未来，利用机器学习、人工智能以及高性能计算选择工艺参数将节省大量的时间和成本。此外，喷丸和超声纳米晶表面改性、等离子体电解氧化、等离子渗碳等其他表面改性技术的结合已在实验室取得进展，预期未来将在工业上得到全面应用。
总结与讨论
本文详细阐述了 SP、UIP 和 LSP 的基本机理和对各种工程材料的表面力学性能和微结构的影响，讨论了喷丸技术的潜在应用、优势和挑战。本综述可以为喷丸技术的选择提供全面的见解。
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原文出自 Materials 期刊
John, M.; Kalvala, P.R.; Misra, M.; Menezes, P.L. Peening Techniques for Surface Modification: Processes, Properties, and Applications. Materials 2021, 14, 3841.
Materials 期刊介绍
主编：
Maryam Tabrizian, McGill University, Canada
期刊发表涵盖材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等研究领域在内的学术文章。
2021 Impact Factor | 3.748 (Q1*) |
2021 CiteScore | 4.7 |
Time to First Decision | 15.3 Days |
Time to Publication | 38 Days |
* Q1 (17/80) at category "Metallurgy and Metallurgical Engineering"
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