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科学新讯


第 7 卷- 2019 年 12 月刊
固定式振动喷丸的参数研究



图1:TFM58/32VP振动槽


图2:IN718在-130mm深度的横向残余应力分布


图3:IN718在-130mm深度的纵向残余应力分布


图4:IN718在-130mm深度的横向FWHM分布


图5:IN718在-130mm深度的纵向FWHM分布

1.简介

与现有的抛喷丸强化以及抛光技术相比,振动喷丸是一种新型表面处理工艺。振动强化(又名固定式振动表面处理)是由Sangid等人(2011年)提出的,这种方法使用钢丸在工件上施加有益的压缩残余应力(CRS)。[1]这种固定工件的形式已证明,通过减少实现预期输出所用的时间可提高振动过程的效率。[2],[3]经过研究,此技术可以应用于航空航天工业中,在不会同时存在大量冷加工和表面粗糙度的条件下引入残余压应力[4],[7]。通过表面强化最大限度减少材料的冷加工是为了提高材料在高温下的疲劳性能。[12]

固定式振动喷丸的主要控制参数是飞锤设置产生的电机频率和振幅[4],[6]。飞锤设置的定义是槽下两个不平衡的配重之间的差度,正是这种差度引起槽产生振动。但是,还有其他参数会影响振动抛丸工艺的性能和效果,已根据操作员以往的经验筛选出这些参数[5]。例如,化合物的使用、介质质量、浸没深度、处理过程时间以及固定装置的安装等都是其他工艺参数。在振动过程中(尤其是振动抛光),化合物或润滑剂的使用以及介质的类型是Gour等(2018年)所述实现预期表面性质的关键参数[8]。此外,Ciampini等(2008年)已确认使用化合物所产生的影响,即与不使用化合物的干法工艺相比,添加水或化合物会使阿尔门强度更高[9]。

本报告将主要介绍处理时间对IN 718试样的残余应力以及冷加工的影响。

2.方法

试验设置与测量方案
本实验在Walther Trowal公司生产的振动槽TFM58/32VP(图1)上执行,振动槽尺寸为580mmx320mmx360mm。振动槽配备PU衬里容器和可以驱动振动槽使其以受控的频率和振幅振动的电机。

使用IN718测试件进行试验以评估残余应力。试样的接收状态与高压压缩机(HPC)整体叶盘状态相似,此状态即经过脱脂、热处理、阳极处理后的状态。使用XSTRESS机械式X射线衍射(XRD)测量系统测量残余应力,并使用电解抛光步骤剥层处理。

3.结果与讨论

处理时间
阿尔门偏转的变化始终呈指数增加,即值的增加,然后在饱和点达到稳定水平。因此认为残余应力随处理时间产生的变化是相同的。需要对部件进行多长时间的喷丸处理才能达到预期残余应力分布始终是一个问题。然而,这取决于每种材料的性质,例如弹性模数、硬度以及延展性等。因此,有必要确定处理材料的饱和点以避免过度喷丸,否则残余应力分布将不会出现任何进一步的改善或者甚至出现恶化[7]。

另外,通常会根据阿尔门强度试验所得的饱和时间选择振动喷丸工艺的加工时间或处理时间。已在抛喷丸强化工艺中证明了阿尔门强度与残余应力之间的对应关系[5],[10]:但由于两种工艺的机制有所不同,这种对应关系在振动喷丸工艺中可能也会不同。Canals等人的研究表明,将喷完处理时间增加到所示阿尔门试片饱和时间的两倍将增加材料Ti-6Al-4V和E-16NiCrMo13的压缩残余应力分布,但达到饱和时间的三倍时压缩残余应力分布没有进一步增加[6]。因此,在本研究中,具有固定试验参数设置的振动喷丸工艺的饱和时间是使用IN718扁平试验试样确定的。这种方式可以提供适当的处理时间范围,并且有助于确认振动喷丸工艺的最大处理能力。阿尔门强度试验在扁平试样试验之前进行,而研究的时间长度则根据强度试验的饱和时间选择。本研究中所用扁平试样的尺寸为30mmx40mmx4.5mm。

IN 718试验试样的残余应力分布与相应的FWHM分布也绘制如下。

据图2和图3所示,在未经处理的试样上可观察到高压缩表面残余应力,这是因制造工艺引起的。然而,高应力状态仅出现在近表面深度。在超过20微米的深度可以观察到无应力状态。与经过2个小时处理的扁平试样相比,在经过4个小时处理后,其横向与纵向的表面压缩残余应力以及最大压缩残余应力都更高,影响深度也更大。当处理时间从1个小时增加到2个小时后,横向残余应力分布得到改善。此结果与增加处理时间可改善残余应力状态的假设一致。而在经过8小时的处理后,横向的表面及最大压缩残余应力与处理4个小时的情况类似,但是8小时后,影响深度则更浅。这表明,经过8个小时后,振动喷丸的冲击强度或能量有所下降,或8小时候,所施加的应力可能已经出现弛豫。另一方面,经过4个小时处理后的纵向残余应力分布优于处理8个小时,最大压缩残余应力更高且影响深度也更大。这证明,增加处理时间可能出现应力松弛,从而抵消振动抛丸对部件的积极影响[7]。这一点对于了解振动喷丸的最佳处理时间至关重要。

另外,通过XRD测量获取半最大值全宽度(FWHM),以表示塑性变形下的谱峰加宽,这可能类似于塑性应变。已知FWHM的值与表面强化处理为工件带来的冷加工百分比的值有密切关系。[4],[5],[11]从图4和图5可知,FWHM分布表明与处理1小时、4小时和8小时后相比,经过2小时处理后的IN718试样其横向与纵向塑性变形程度更高。这表明,2小时后,即可产生更高的塑性应变和密集的位错网络,而在处理4小时和8小时后,塑性应变将会复原并发生位错湮灭。在处理1个小时后,扁平试样的FWHM较低,这表示塑性变形尚未达到饱和,当处理时间增加至2小时时,FWHM将会增加。在处理4小时和8小时之后,超过120微米深度的塑性变形已经恢复到与未处理状态相同。在Kumar等人对Udimet®720Li开展的研究中,在热松驰后也观察到类似的FWHM分布[11]。这意味着,在处理2个小时后,应力松弛已经导致冷加工减少。因此,对IN718材料进行振动喷丸处理的最佳处理时间应在2到4个小时之间。

通过这些应力分布,以最佳时间进行喷丸处理很有可能可以增加已处理部件的疲劳寿命。高周疲劳(HCF)与材料上产生的压缩残余应力有关联。[1]Feldmann等人的研究(2014年)表明,通过振动喷丸工艺可将高周疲劳寿命提高35%,而抛喷丸强化工艺可将其提高61%。[4]尚不明确该研究中的处理时间长度,但是根据目前的研究结果,在最佳处理时间下,部件的HCF有可能可以得到进一步优化,以达到类似于或优于抛喷丸强化的效果。

4.结语 

处理时间越长,所处理部件上的压缩残余应力分布越好。但是,在达到最佳处理时间后,继续进行振动喷丸处理不会带来有益的影响,而在此之后,试样的应力状态将达到饱和。继续进行喷丸处理不会提高所施加的应力,甚至可能因喷丸处理过度而发生松弛。这也表明对于指定材料而言,振动喷丸工艺产生的压缩残余应力存在一个上限。

5.未来的措施

根据对这两个固定式振动喷丸参数的当前研究结果,仍存在一些问题和理论,需要开展更详细的试验对这些观点做进一步验证。已基于阿尔门试片的目视观察及结果合理地解释了振动喷丸处理期间振动槽中合力的变化。但是,后续研究可以集中于使用传感器测量介质产生的冲击力,以量化槽中各个区域的作用力的变化。此外,还可以通过以最佳处理时间范围之间的更多时间设置在扁平试样上进行更多振动喷丸试验,手机残余应力数据以确定最佳处理时间。

6.参考文献

[1] M. Sangid, J. Stori, and P. Ferriera, "Process characterization of vibrostrengthening and application to fatigue enhancement of aluminum aerospace components-part I. Experimental study of process parameters," International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 53, pp. 545-560, 2011.
[2] D. A. Davidson, "Developments in mass finishing technology," Metal Finishing, vol. 101, pp. 49-56, 1/1/2003 2003.
[3] D. A. Davidson, "Green mass finishing with dry abrasive and polishing media," Metal Finishing, vol. 105, pp. 45-48, 1/1/2007 2007.
[4] Feldmann G, Wong C C, Wei W and Haubold T 2014 Application of Vibropeening on Aero– Engine Component Procedia CIRP 13 423-8
[5] Dennise T. A., Wang W., Parr I., Feldmann G., Aramcharoen A., Wong C. C., "Investigations of the Residual Stresses and Surface Integrity Generated by a Novel Mechanical Surface Strengthening", Residual Stresses 2016: ICRS-10, Materials Research Proceedings 2 (2016) 311-316 
[6] Canals L., "Preliminary Assessment of the Vibro-peening Process for Improving the Fatigue Life of Aerospace Components,"UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL, 2018.
[7] Gopinath A., Lim A., Nagarajan B., Wong C. C., Rajarshi M., Sylvie C., "Introduction of Enhanced Compressive Residual Stress Profiles in Aerospace Components Using Combined Mechanical Surface Treatments", IOP Conf.Series: Materials Science and Engineering 157 (2016) 012013
[8] Gour G, Zhang J, Kapur P., Khadka I., Tjahjowidodo T., Yeo S. H., Sylvie C., "Numerical Modelling and Validation of Vibratory Trough for Surface Finishing", The 4th International Conference on Knowledge and Innovation in Engineering, Science and Technology (2018).
[9] D. Ciampini, "Impact Velocity, Almen Strip Curvature and Residual Stress Modelling in Vibratory Finishing", University of Toronto (2008).
[10] D. Ciampini, M. Papini, and J. Spelt, "Characterization of vibratory finishing using the Almen System," Wear, vol. 264, no. 7, pp. 671-678.(2008)
[11] D. Kumar, S. Idapalapati, W. Wang, D. J. Child, T. Haubold, C. C. Wong, "Microstructure-mechanical property correlation in shot peened and vibro-peened Ni-based superalloy," Journal of Materials Processing Tech.267 (2019) 215-229
[12] Paul S. P., " The Effect of Cold Work on the Thermal Stability of Residual Compression in Surface Enhanced IN718," 20th ASM Materials Solutions Conference & Exposition, St. Louis, Missouri, October 10-12, 2000.  

本报告已发表在Metals 2019, 9(8), 910; https://doi.org/10.3390/met9080910上。作者的目的是向MFN读者介绍此论文的技术成果。



作者:
Chan Wai Luen1,2, Kunal Ahluwalia2,
Abhay Gopinath1
1Rolls-Royce Singapore, Central Technology
Group, 1 Seletar Aerospace Crescent,
Singapore 797565, Singapore.
2Advanced Remanufacturing and Technology
Centre
3Cleantech Loop #01-01, Singapore 637143,
Singapore