简介

　　虽然一般的表面强化处理使用的是喷丸技术，但是高速水射流的喷丸处理方法也已被提出。使用水射流喷丸处理方法，有两种机制。其中一个是“水射流喷丸”。在水射流喷丸中，利用的是射流中水珠[1-3]或微粒[4-6]的冲击力。另一个是“空化喷丸”[7-10]，利用的是射流周围的空化冲击力。

　　由于喷丸机制不同，每种喷丸的最适条件也完全不同。水射流喷丸需要高喷射压力，如200或600兆帕[11]。但是，空化喷丸适合大喷嘴且相对较低的喷射压力，如几十兆帕[12]。此外，空化喷丸的喷嘴形状与水射流喷丸的喷嘴形状是不同的。图1示各类喷嘴喷射的冲击性空化射流引起的质量损失与侵蚀时间的关系[13]。图1中，射流的喷丸强度通过质量损失来表现，即，质量损失越大代表喷丸强度越强。请注意，空化喷丸不造成损坏，因为其在损坏发生前就已经完成。由图1可看出，空化射流喷嘴的喷丸强度是水射流一般喷嘴喷丸强度的6倍。

　　本文中提出了空化喷丸和水射流喷丸的分类依据，以最优化喷丸条件。注意，请根据冲击机制用“水射流喷丸”和“空化喷丸”代替口语表达，以避免对喷丸机制的误解[14]。

空化喷丸和水射流喷丸使用淹没水射流

　　如上所述，水射流喷丸利用的是水射流中水珠和微粒碰撞所产生的冲击力。而空化喷丸利用的是空泡溃灭所产生的冲击力。当水射流在空气中喷射时，很容易区分水射流喷丸和空化喷丸，因为空泡是通过特殊射流产生的。特殊射流是指，Soyama通过将高速水射流注入低速水射流、然后低速水射流通过同心喷嘴注入空气而产生的一种空化射流。

　　误解通常发生在淹没高速水射流(即水中高速水射流)的使用上。如图2所示，在喷嘴和(或)射流周围的剪切层中形成空泡并结合在一起，然后扩散为环形空泡并作用在撞击表面上。空泡溃灭时即产生冲击力。这就是为什么空化射流的撞击呈环形图案(见图3)。为揭示淹没水射流的作用区域，图3显示的是淹没水射流(喷射压力为30兆帕)作用的纯铝试件区域。如上所述，在图3中可看到典型的侵蚀图案；此外，喷射中心也被侵蚀，这种侵蚀由喷射中心的水珠冲击力造成。即，即使在喷射压力为30兆帕的淹没水射流中，水珠冲击力也存在。

　　因此，当射流的喷射压力增大时，由水珠造成的损坏也会更显著。图4显示的是淹没空化射流所作用的不锈钢SUS316L的表面区域。图4(a)中，喷射压力为300兆帕，使用的是直径0.35毫米的喷嘴。图4(b)则使用的是直径2毫米的喷嘴，喷射压力为30兆帕。喷射动力(由流率确定)和喷射压力几乎相等。在300兆帕的情况下，喷射中心有损坏，在30兆帕的情况下，产生塑性变形坑但未损坏。请注意，30兆帕的压缩残余应力比300兆帕的更大、更深[17]。即，在空化喷丸中，大喷嘴、较低喷射压力的空化射流比小喷嘴、较高喷射压力的射流更适合。

　　另一方面，对于水射流喷丸，则需要高喷射压力以加速射流中的水珠和(或)微粒。因此，区分使用的是空化喷丸还是水射流喷丸非常重要。

淹没水射流的喷丸强度与喷射距离的关系

　　为了说明淹没高速水射流的喷丸强度，图5示射流作用的弹簧钢的弧高与喷嘴喉径d归一化的喷射距离之间的关系[18]。由于弧高值各不相同，因此图5(b)示以对数刻度绘制的弧高。由于空化数与最优喷距Sopt之间的关系可以以重对数刻度绘制成一条直线[19]，因此图5(b)的纵轴也用对数刻度表示。这里，空化数由喷射压力p1、喷嘴出口压力p2以及蒸汽压pv确定，用Eq.(1)表示。

“公式无法显示” (1)

　　σ简化为Eq.(1),由于p1>>p2>>pv。

　　图5中，弹簧钢的厚度为1mm，维氏硬度为535±14。处理速度为1mm/s。

　　两种情况下，都有两个峰：第1峰和第2峰，随喷射距离变化，p1 = 30MPa，s/d = 16和131以及p1 = 300MPa，s/d = 137.5和275。弧高最大值为0.596mm(p1 = 30MPa，s/d = 131)以及0.0825mm(p1 = 300MPa，s/d = 137.5)。即，p1 = 30MPa时的喷丸强度是p1 = 300MPa时的7倍。虽然两个峰的喷射距离差不多，但喷丸强度的机制却是不同的。由于每种情况下的空化数为σ = 0.0033(p1 = 30MPa)和σ = 0.00033(p1 = 300MPa)，空化冲击的最优喷距随空化数的减少而增加[19]；因此，p1 = 30MPa s/d = 16以及p1 = 300MPa s/d = 137.5处的峰值是由水珠冲击力造成的。另一方面，p1 = 30MPa s/d = 131以及p1 = 300MPa s/d = 275处的峰值由空化冲击造成。上述每个峰的机制在下面部分有论述，其中包括其他研究人员的报告结果。

空化喷丸和水射流喷丸的分类图

　　图6示空化喷丸和水射流喷丸的分类图。图6绘制了以喷嘴直径归一化的喷射距离在每个峰的位置。用来区分空化喷丸和水射流喷丸的直线也在图6中绘出[14]。

“公式无法显示” (2)

　　图6中的文字指的是报告结果的期刊名称的缩写。详细信息在参考中有描述[18]。图6中有127个数据点，其中包括上述的4个点。一些点重叠是因为使用的是相似的喷嘴。

　　图6中，Eq.(2)线左下方区域是水射流喷丸区，其中水珠冲击力导致了第1个峰。另一方面，该线的右上方区域是空化喷丸区，其中空化冲击造成第2个峰。

　　p1 = 300MPa s/d = 137.5(σ = 0.00033)的峰明显位于水射流喷丸区内，而p1 = 300MPa s/d = 275的峰位于空化喷丸区内。在水射流喷丸下，喷丸强化能力随喷射压力的增加而增加。但是在空化喷丸下，太高的喷射压力不仅会使喷丸强化效应降低，喷射中心的水珠冲击力还会造成损坏[17]。这就是为什么区分水射流喷丸和空化喷丸会获得更好的喷丸强化效果并避免损坏。

　　如上所述，弧高在p1 = 30MPa s/d = 131时具有最大值。大喷嘴、较低喷射压力的射流会产生更好的喷丸强化效应。

结语

　　为了通过淹没水射流得到更好的喷丸强化效应，提出了水射流喷丸和空化喷丸的分类图。空化喷丸和水射流喷丸可以通过空化数以及喷嘴到目标物的喷距来分类。

致谢

　　本文由JSPS KAKENHI 24360040部分支持。特此感谢日本东北大学技术人员M. Mikami先生对本实验的支持。

参考文献

[1] K. Enomoto, K. Hirano, M. Mochizuki et al., "Improvement of residual stress on material surface by water jet peening," Journal of Society of Materials Society, Japan, vol. 45, no. 7, pp. 734-739, 1996.
[2] S. R. Daniewicz, and S. D. Cummings, "Characterization of a water peening process," Journal of Engineering Materials and Technology-Transactions of the Asme, vol. 121, no. 3, pp. 336-340, Jul, 1999.
[3] A. S. Grinspan, and R. Gnanamoorthy, "A novel surface modification technique for the introduction of compressive residual stress and preliminary studies on Al alloy AA6063," Surface & Coatings Technology, vol. 201, no. 3-4, pp. 1768-1775, Oct, 2006.
[4] Y. Yoshioka, "High-grade process of engine parts treated by water jet peening," Machine and Tool, vol. 46, no. 10, pp. 25-29, 2002.
[5] B. Sadasivam, A. Hizal, and D. Arola, "Abrasive waterjet peening with elastic prestress: A parametric evaluation," International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 49, no. 2, pp. 134-141, Feb, 2009.
[6] A. Naito, O. Takakuwa, and H. Soyama, "Development of peening technique using recirculating shot accelerated by water jet," Materials Science and Technology, vol. 28, no. 2, pp. 234-239, 2012.
[7] H. Soyama, K. Saito, and M. Saka, "Improvement of Fatigue Strength of Aluminum Alloy by Cavitation Shotless Peening," Journal of Engineering Materials and Technology, vol. 124, no. 2, pp. 135-139, 2002.
[8] H. Soyama, "Improvement of fatigue strength by using cavitating jets in air and water," Journal of Materials Science, vol. 42, no. 16, pp. 6638-6641, 2007.
[9] H. Soyama, and Y. Sekine, "Sustainable Surface Modification Using Cavitation Impact for Enhancing Fatigue Strength Demonstrated by a Power Circulating-Type Gear Tester," International Journal of Sustainable Engineering, vol. 3, no. 1, pp. 25-32, 2010.
[10] H. Soyama, "The Use of Cavitation Peening to Increase the Fatigue Strength of Duralumin Plates Containing Fastener Holes," Materials Sciences and Applications, vol. 5, no. 6, pp. 430-440, 2014.
[11] A. Chillman, M. Ramulu, and M. Hashish, "Waterjet peening and surface preparation at 600 MPa: A preliminary experimental study," Journal of Fluids Engineering-Transactions of the Asme, vol. 129, no. 4, pp. 485-490, Apr, 2007.
[12] H. Soyama, K. Nagasaka, O. Takakuwa et al., "Optimum injection pressure of a cavitating jet for introducing compressive residual stress into stainless steel," Journal of Power and Energy Systems, vol. 6, no. 2, pp. 63-75, 2012.
[13] H. Soyama, "Effect of nozzle geometry on a standard cavitation erosion test using a cavitating jet," Wear, vol. 297, no. 1-2, pp. 895-902, 2013.
[14] H. Soyama, "Surface Mechanics Design of Metallic Materials on Mechanical Surface Treatments" Mechanical Engineering Reviews, vol. 2, no. 1, pp. 14_00192_1-20, 2015.
[15] H. Soyama, "Introduction of Compressive Residual Stress Using a Cavitating Jet in Air," Journal of Engineering Materials and Technology, vol. 126, no. 1, pp. 123-128, 2004.
[16] H. Soyama, 'High-Speed Observation of a Cavitating Jet in Air," Journal of Fluids Engineering, vol. 127, no. 6, pp. 1095-1108, 2005.
[17] H. Soyama, and O. Takakuwa, "Enhancing the Aggressive Strength of a Cavitating Jet and Its Practical Application," Journal of Fluid Science and Technology, vol. 6, no. 4, pp. 510-521, 2011.
[18] H. Soyama, "Criterion on mechanical surface treatment using a submerged water jet between cavitation peening and water jet peening," Jet Flow Engineering, vol. 31, no. 2, pp. 1-8, 2015.
[19] H. Soyama, and A. Lichtarowicz, "Cavitating Jets - Similarity Correlations," Jet Flow Engineering, vol. 13, no. 2, pp. 9-19, 1996.

作者：
Hitoshi Soyama
(工程学博士)教授

日本东北大学纳米力学部门
6-6-01 Aoba, Aramaki, Aoba-ku
Sendai, 980-8579, Japan
邮箱：soyama@mm.mech.tohoku.ac.jp