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科学新讯


第 8 卷- 2020 年 6 月刊
提高增材制造金属疲劳强度的喷丸强化、空化冲击强化和浸没式激光冲击强化的比较



图1:采用电子束粉末床熔炼(EBPB)制备的试样方面


表1试样的表面特性


图2:通过机械表面处理提高采用EBM制备的Ti6Al4V的疲劳强度


图3:用于计算弯曲应力的试样厚度示意图

简介

增材制造AM金属因直接根据CAD数据和其他优点成型,从而成为用于医疗植入物和航空部件的极具吸引力的材料。然而,AM金属的疲劳强度明显低于块体金属。因此,需要提高AM金属疲劳强度的增强技术。
改进金属材料的常见方法是抛喷丸强化,并且抛喷丸强化对AM金属的增强作用已经证明[1]。另一方面,世界上已经提出了诸如使用空化射流和浸没式脉冲激光的空化冲击强化之类的新颖方法[2]。在空化冲击强化的情况下,采用空化气泡冲击来引入无弹丸的塑性变形坑,不需要在喷丸强化处理后进行化学清洁。此外,由于使用了气泡破裂塌陷引起的冲击波,因此空化气泡冲击会对AM金属表面上未熔化颗粒底部的狭窄区域进行强化处理。
近年来,对采用空化冲击强化、水冲击强化、喷丸强化和和浸没式激光冲击强化提高SUS316L不锈钢疲劳强度的作用进行了研究,结果表明,采用空化冲击强化最能提高疲劳强度,其它依次是喷丸强化、激光冲击强化和水冲击强化[3]。请注意,通过与日本东北大学和波音公司合作,提出了一种结合使用空化射流和磨料提高AM金属疲劳强度的新颖机械表面改性方法[4]。
本文通过对比喷丸强化与浸没式激光冲击强化证明了空化冲击强化在提高AM金属疲劳强度方面的作用。

材料和方法

所用材料为Ti6Al4V钛合金,并且试样采用电子束熔炼(EBM)制备。EBM的平均粒径约为75μm。电子束的光斑尺寸为0.2mm,堆积间距为90μm。试样在真空条件下以1208K热处理105分钟,然后在氩气中冷却。然后在真空条件下以978K老化2小时,然后在氩气中冷却。
采用使用空化射流的空化冲击强化、浸没式激光冲击强化和抛喷丸强化对疲劳试样进行处理。采用每种强化方法时,考虑前文[3]选择执行每种强化的条件。在空化冲击强化的情况下,采用空化射流。射流压力为30Mpa,喷嘴喉径为2mm,上游角距试样表面222mm,单位长度加工时间为10s/mm。
在浸没式激光冲击强化的情况下,采用配备Q开关的Nd:YAG激光器。激光的最大能量和脉宽分别为0.35J和6ns。使用的波长为基波,即1064nm,作为激光烧蚀后所形成气泡塌陷的冲击[3]。请注意,气泡塌陷所引起的冲击大于激光烧蚀[3],单位面积脉冲密度为5脉冲/mm2。
在喷丸强化的情况下,通过喷水加速的再循环弹丸冲击处理试样[6]。喷水压力为12Mpa,单位长度加工时间为1s/mm。
采用常规的Schenk型位移控制平面弯曲疲劳测试仪在R=-1的条件下对经强化处理和未经强化处理的试样进行测试。

采用电子束熔炼
制造的试样方面

图1显示了通过三维堆叠技术在激光显微镜下观察到的未经强化处理、经过喷强化处理、空化冲击强化处理和浸没式激光冲击强化处理的试样方面。在图1中,蓝色表示峰谷,红色表示颗粒顶部。表1显示了粗糙度Rz和斜度Rsk的最大高度,以显示试样的表面特征。如图1(a)所示,在表面观察到许多未熔化的颗粒。表面经喷丸强化处理后,颗粒变形如图1(b)所示,Rsk为负值。然而,观察到深谷,这些都不能通过喷丸强化处理去除。另一方面,对于采用空化冲击强化和浸没式激光冲击强化处理的表面,仍观察到未熔化的颗粒;也就是说,经过喷丸处理的表面几乎没有变化。在空化冲击强化的情况下,Rz略有下降;然而,随着激光脉冲系统地产生塑性变形坑,浸没式激光冲击强化的Rz大于未经喷丸处理的Rz,由此连续脉冲形成了波峰。

采用强化方法提高
采用EBM制备的试样的疲劳强度

图2显示了未经强化处理、经过喷丸强化处理、空化冲击强化处理和浸没式激光冲击强化处理的试样的平面弯曲疲劳实验结果[5]。由于试样表面相当粗糙,如图1和表1所示,考虑采用Rz来计算最大弯曲应力。在图2(a)中,使用图3中所示的厚度δ1计算最大弯曲应力。然而,图3中Rz所示的层是一种不受支撑的层。因此,在图2(b)中使用了δ2=δ1-2×Rz。
在图2(a)中,随着未熔化颗粒的顶部变形,采用喷丸强化处理提高的疲劳强度最大。使用利特尔方法计算107的疲劳强度时[7],未经喷丸处理的样品的疲劳强度为169±8MPa。请注意:使用Ti6Al4V经过热处理制成的块体材料的107的疲劳强度为545±10MPa[8];采用EBM制备的Ti6Al4V钛合金的疲劳强度明显小于块体材料。采用EBM制备的Ti6Al4V钛合金经喷丸处理后,其疲劳强度分别为335±6MPa(对于喷丸强化处理)、296±8MPa(对于空化冲击强化处理)和317±4MPa(对于浸没式激光冲击强化处理)。与未经强化处理相比,经过强化处理后得到明显改善;但与块体材料相比,疲劳强度仍然较低。
如上所述,在考虑表面粗糙度的情况下,重新计算了最大弯曲应力。S-N曲线如图2(b)所示。使用图2(b)中所示的数据计算的疲劳强度分别为221±11MPa(对于未经强化处理)、371±7MPa((对于喷丸强化处理))、406±11MPa(对于空化冲击强化处理)以及450±3MPa(对于浸没式激光冲击强化处理)。换言之,经过浸没式激光冲击强化处理,疲劳强度比未经过强化处理提高了约2倍,约占块体材料的80%。

结语

为了证明采用电子束熔炼EBM制备的Ti6Al4V钛合金通过机械表面处理提高了AM金属材料的疲劳强度,对钛合金进行了喷丸强化、空化冲击强化和浸没式激光冲击强化处理,并进行了位移控制疲劳试验。结果表明,在考虑表面粗糙度的情况下,采用浸没式激光冲击强化处理提高的107的疲劳强度是未经强化处理的样品的两倍。

致谢

JSPS KAKENHI授权编号17H03138和18KK0103部分支持这项工作。

参考文献

[1] P. Edwards, A. O'Conner, and M. Ramulu, "Electron Beam Additive Manufacturing of Titanium Components: Properties and Performance," Journal of Manufacturing Science and Engineering-Trans.ASME, vol. 135, no. 6, pp. 1-7, 2013.
[2] H. Soyama, "Key Factors and Applications of Cavitation Peening," International Journal of Peening Science and Technology, vol. 1, no. 1, pp. 3-60, 2017.
[3] H. Soyama, "Comparison between the Improvements Made to the Fatigue Strength of Stainless Steel by Cavitation Peening, Water Jet Peening, Shot Peening and Laser Peening," Journal of Materials Processing Technology, vol. 269, pp. 65-78, 2019.
[4] H. Soyama, and D. Sanders, "Use of an Abrasive Water Cavitating Jet and Peening Process to Improve the Fatigue Strength of Titanium Alloy 6Al-4V Manufactured by the Electron Beam Powder Bed Melting (EBPB) Additive Manufacturing Method" JOM, vol. 71, no. 12, pp. in press, 2019 DOI: 10.1007/s11837-019-03673-8.
[5] H. Soyama, and Y. Okura, "The Use of Various Peening Methods to Improve the Fatigue Strength of Titanium Alloy Ti6Al4V Manufactured by Electron Beam Melting," AIMS Materials Science, vol. 5, no. 5, pp. 1000-1015, 2018.
[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] R. E. Little, "Estimating the Median Fatigue Limit for Very Small Up-and-Down Quantal Response Tests and for S-N Data with Runouts," ASTM STP, vol. 511, pp. 29-42, 1972.
[8] J. National Institute for Materials Science, "Data Sheet on Giga-Cycle Fatigue Properties of Ti-6Al-4V (900 MPa Class) Titanium Alloy," NIMS Fatigue Data Sheet No. 92, pp. 1-12, 2004.



祖山均 (Dr. Eng.)
日本东北大学精密力学系教授
6-6-01 Aoba, Aramaki, Aoba-ku, Sendai,980-8579, Japan
邮箱:soyama@mm.mech.tohoku.ac.jp