喷丸强化技术
前混合磨料水射流喷丸强化技术
前混合磨料水射流喷丸强化技术摘要：近年来，前混磨料射流得到了发展。
前混磨料射流是将磨料和水在高压水管路中均匀混合成磨料浆水，然后由磨料喷嘴喷出形成磨料射流，其速度比水射流高75%左右。
因此，预混磨料射流中的磨料动能高，从而达到高效、优质、无污染的喷丸效果。
关键词：喷丸强化技术。
水射流。
供料方式。
针对前混合磨料水射流喷丸强化技术的工作原理及其供料系统,比较出前混合磨料水射流与后混合磨料水射流喷丸技术之间的差异,从而确定了采用该技术的优越性。
一、前混合水射流强化技术的特点传统的喷丸强化工艺因其具有提高金属零构件抗疲劳断裂和抗应力腐蚀断裂能力而得到了广泛的应用,但是还存在以下不足:（1）由于零构件的凹槽部位和粒不能有效撞击,易产生喷丸死角,造成无法实施强化或喷丸强度不足;（2）喷丸强化表面粗糙度达不到要求;（3）气动高强度喷丸效率低,不能达到节省能源的目的;（4）不能达到环保的要求。
与传统喷丸强化工艺相比,高压水射流喷丸强化技术具有以下特点:1）能对存在狭窄部位、深凹槽部位的零件表面以及复杂结构零构件、微小零件表面等进行无死角喷丸强化;2）通过调整射流压力能对不同硬度的材料进行大面积喷丸强化,具有广谱性,尤其适用于超高硬度、超脆材料零构件的表面喷丸改性;3）喷丸表面粗糙度值变化很小,可减少应力集中现象,提高强化增益效果;4）对喷丸装置抗压性要求较低,有利于降低生产和维护成本;5）喷丸表面温度变化较小,不会改变材料的物理性质和化学性质;6）喷头体积小,移动方便,易于实现光控、数控及机械手控制,提高喷丸强化质量;7）整套工装体积不大,可以装在机动车上进行远距离操作和外场作业;8）强化过程中不会产生有害气体及粉尘,有利于环境保护和操作者的健康绿色喷丸强化。
二、前混合水射流强化机理前混合磨料水射流喷丸强化技术是将混合磨料技术引入到喷丸领域,以实现优质、高效、节能、安全、环保的湿式绿色喷丸强化新工艺。
高压水射流喷丸强化机理就是将携带巨大能量的高压水射流以某种特定的方式高速喷射到金属零构件表面上,使零构件表层材料在再结晶温度下产生塑性形变(冷作硬化层),呈现理想的组织结构(组织强化)和残余应力分布(应力强化),从而达到提高零构件周期疲劳强度的目的。
激光喷丸表面强化技术的研究综述
杨启 大连理工大学博士研究生，许昌
学院讲师，研究方向为航空钛合金的 微动疲劳损伤及表面强化技术、金属 材料的失效分析及强韧化处理。
随着世界工业领域的不断发展， 各种极端和复杂条件下的工程需求 日益增加，人们对机械装备构件的综 合性能提出了更高要求。尤其在关 乎国家安全与发展的重大领域，如航 空、航天、航海、石化、电力等，尺寸超 大或精密的关键零部件具有举足轻 重的地位，其性能要求也愈发严苛。 此类构件大多造价不菲且不易更换， 如何进一步提升其机械性能，延长服 役期限，是世界科研工作者面临的共 同问题。学者们研究发现，在实际应 用中，材料的失效大多发生在表面或 亚表面。因此，表面强化的理念开始 出现并被逐步认可，现已成为众多机 械产品，尤其是关键零部件制造过程 中的关键工序，直接催生了各类表面 强化技术的蓬勃发展 。 [1–3]
观结构和硬度产生影响。1972 年， Benjamin Wilcox 团队 [20] 采用功率 密度为 1.2~2.2GW/cm2、脉宽 32ns 的
米量级，其诱导的冲击波峰值压力可 达吉帕（GPa）量级。超高压力引起的 靶材应变速率可达到 107s–1 量级，较之
所产生的反冲压力。1964 年，美国 国家航天局（NASA）的 Neuman[17] 研究发现，采用 50ns 的激光脉冲所
吸收层（又称烧蚀层，常用铝箔、黑 面的选择性定域化处理。
得显著的冲击压力。这一突破性成
漆）的工件表面，如图 1 所示 [14]。吸
总体上看，激光喷丸技术具有良 果为后续几年探索激光诱导冲击波
收层受激光辐照迅速气化、电离，形 好的柔性和适应性，在宏、微观表面 作为材料加工工具的研究打开了大
成等离子体。等离子体持续吸收能 工程领域具有广泛的应用前景。本 门。不久后，学者们就开始关注激光
气动辅助超声喷丸强化的实验研究的开题报告
气动辅助超声喷丸强化的实验研究的开题报告一、研究背景与意义超声喷丸强化技术是一种将超声波技术和喷丸加工工艺相结合的新型表面处理方法，已被广泛应用于不同材料的表面强化。
在常规超声喷丸强化技术中，利用高速喷射的磨料粒子撞击材料表面，从而改善材料表面的性能。
但是，由于磨料粒子在喷射过程中存在粘附和聚集现象，易造成喷射不均匀和材料表面的微观损伤。
因此，如何提高超声喷丸强化技术的精度和效率，是当前研究的重要问题。
气动辅助超声喷丸强化技术是将喷丸过程中加入一定的气体进行辅助，以提高磨料粒子的喷射速度和均匀性，并有效地减少材料表面的微观损伤。
该技术的提出，为超声喷丸强化技术的发展带来了新的机遇和挑战。
本研究旨在通过实验研究，探究气动辅助超声喷丸强化技术在不同材料表面处理中的应用效果和机理，为该技术的发展提供实验依据和理论指导。
二、研究内容和方案1. 研究内容：（1）总结气动辅助超声喷丸强化技术的发展及研究现状；（2）分析气动辅助超声喷丸强化技术在不同材料表面处理中的应用现状和存在问题；（3）开展气动辅助超声喷丸强化技术在不同材料表面处理中的实验研究，分析其加工效果和机理；（4）分析气动辅助超声喷丸强化技术的优缺点，并提出改进意见和建议。
2. 研究方案：（1）文献综述：对气动辅助超声喷丸强化技术的发展历程，国内外研究现状和存在问题进行综述；（2）实验设计：选择一些典型的材料进行实验研究，设计不同的实验参数，如气体类型和流量、超声功率和频率、喷丸粒径和速度等；（3）实验方法：采用气动辅助超声喷丸强化设备，实施表面处理实验，并使用光学显微镜、扫描电镜和显微硬度计等设备对处理效果进行分析和评价；（4）数据分析：对实验数据进行统计和分析，探究不同实验参数对处理效果的影响，并分析气动辅助超声喷丸强化技术的优缺点；（5）改进建议：根据实验结果提出改进意见和建议，为气动辅助超声喷丸强化技术的开发和应用提供参考。
三、研究预期结果通过本研究的实验研究和数据分析，预计可以得到以下预期结果：（1）掌握气动辅助超声喷丸强化技术在不同材料表面处理中的应用现状和存在问题；（2）了解气动辅助超声喷丸强化技术的机理和优缺点；（3）分析实验参数对气动辅助超声喷丸强化技术处理效果的影响规律，并探究其机制；（4）提出改进气动辅助超声喷丸强化技术的建议和方向。
激光喷丸强化技术
摘要激光喷丸强化技术是一种有效的金属疲劳解决方案，是具有很多优越性的全新的金属表面强化技术。
与常规喷丸类似，也是通过在金属表面引入残余压应力而增强金属零件的抗疲劳性能。
不同的是，激光喷丸是利用高能脉冲激光在零件表面诱导产生冲击波，冲击波作用于金属表面产生机械“冷作”作用产生塑性变形引入残余压应力，而残余压应力增强了零件材料对表面相关破坏的抵抗能力。
本文对304不锈钢试样分别进行激光喷丸与机械喷丸处理，对处理结果分析表明通过激光喷丸处理，表层晶粒得到了细化，但没有产生明显的马氏体相变，随着喷丸能量密度增大，应力腐蚀敏感性减小；而通过机械喷丸处理的试样，晶粒细化的同时诱发了明显的马氏体相变，随着喷丸压力升高，应力腐蚀敏感性呈现先减小后增大的变化趋势。
关键词：激光喷丸强化技术，机械喷丸技术，马氏体相变，应力腐蚀目录1绪论 (3)1.1激光喷丸强化技术的研究背景 (3)1.2激光喷丸强化技术的研究现状 (4)2 传统喷丸强化技术 (6)2.1机械喷丸强化技术 (6)2.2超声喷丸强化技术 (7)3激光喷丸强化技术 (8)3.1激光强化技术技术原理 (8)3.2激光强化技术实验研究 (9)3.3激光强化技术实验结论 (11)4激光喷丸强化技术适用范围 (12)参考文献 (13)1绪论1.1激光喷丸强化技术的研究背景在实际的工程应用中，尤其是在机械工程和航空航天等领域应用的机械产品和装备中，其关键零部件通常受到热、力等交变载荷的作用，常常发生磨损、断裂和疲劳破坏，导致产品在有效寿命期内过早报废。
疲劳破坏作为一个逐渐发展的过程，通常包括裂纹形成、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展三个阶段。
完整的疲劳过程分析，既要研究裂纹的萌生，也要研究裂纹的扩展，但对于某些在制造或使用过程中已不可避免地引入了裂纹或类裂纹缺陷的构件，则主要考虑如何采用延寿工艺控制其裂纹扩展，提高疲劳寿命。
为有效提高结构件的抗疲劳失效的能力，目前国内外学者主要开展了两个方面的工作：一方面，致力于提升零部件表面性能的先进制造方法研究，如热处理、深冷处理、电磁热处理、复合材料胶补、激光改性等方法已逐渐应用于零件表面改性和延寿；另一方面，针对疲劳裂纹断裂机制和寿命预测模型开展了探索研究，目标是建立科学的设计理念和安全准则。
喷丸强化技术
精选课件
20
激光喷丸（LY2合金）
喷
精选课件
21
马壮, 等. 特种加工技术与装备，10（2007）36.
激光喷丸（6061-T6合金）
精选课件
22
周建忠, 等. 中国激光，38（2011）0703009-1.
激光喷丸（6061-T6合金）
精选课件
23
周建忠, 等. 中国激光，38（2011）0703009-1.
应用： 1）黑色金属零件：铸钢丸、铸铁丸或玻璃丸； 2）有色金属和不锈钢零件：玻璃丸或不锈钢丸。
精选课件
7
第三节 喷丸强化应用及研究
目的：细化晶粒，提高性能。
流变区
过渡区
Al-Si合金喷丸处理后断面结构
李慕勤, 等. 材料精表选面课工件程技术，2010.
8
材料：2024-T351铝合金板材
精王选明课涛件 , 等. 航空制造技术，5（2012）92.9
二次喷丸： 铸钢丸+玻璃丸
精选课件
14
王欣, 等. 材料保护，44（2011）9.
2124-T851铝合金喷丸
精选课件 王欣, 等. 材料保护，44（2011）159.
Al-Zn-Mg合金高能喷丸
样品在真空炉中固溶处理（480℃，60min）， 直径8mm的不锈钢弹丸
李茂林. 中国精选表课面件工程，20（2007）18.
0.1-0.8 mm
精选课件
3
硬化层内产生的两种变化
（1）形成高密度位错，其 在随后交变应力及温 度的作用下逐渐排列 规则，呈现多边形， 在硬化层内形成了更 小的亚晶粒；
（2）形成了高的宏观残余 压应力。
精选课件
4
材料表面工程技术练习题(答案)
材料表面工程技术练习题（答案）一、解释名词1.喷丸强化技术:利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗压力腐蚀能力的表面工程技术。
2.干法热浸渗:先将经常规方法脱脂除锈清洗后的清洁工件或钢材进行溶剂处理，干燥后再将工件浸入欲渗金属溶液中，保温数分钟后抽出，水冷。
3.粘结底层:某些材料能够在很宽的条件下喷涂并粘结在清洁、光滑的表面上，而且这类涂层表面粗糙度适中，对随后喷涂的其它涂层有良好的粘结作用。
4.溅射镀膜:用高能粒子轰击固体表面，通过能量传递，使固体的原子或分子逸出表面并沉积在基片或工件表面形成薄膜的方法。
(在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉积的过程。
)5.分子束外延:在超高真空环境中，将薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到温度适宜的衬底表面上，在合适的条件下就能沉积出所需要的外延层。
6.激光合金化技术:激光合金化就是利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基体表面，从而使基体表层具有特定的合金成分的技术。
换言之，它是一种利用激光改变金属或合金表面化学成分的技术。
7.物理气相沉积:在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子或使其粒子化为离子，直接沉积到基体表面上的方法。
8.真空蒸镀:在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法。
9.热喷涂工艺:热喷涂是用专用设备把某种固体材料熔化并使其雾化,加速喷射到机件表面,形成一特制薄层,以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的一种工艺方法。
10.气相沉积:气相沉积技术也是一种在基体上形成一层功能膜的技术，它是利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。
气相沉积技术一般可分为两大类:物理气相沉积(pvd)和化学气相沉积(cvd)。
表面强化工艺
表面强化工艺
是一种通过某种工艺手段使零件表面获得与基体材料不同的组织结构和性能的技术。
这种技术可以提高零件的硬度、强度、耐磨性、疲劳强度以及抗冲击性能等，从而延长零件的使用寿命，节约稀有、昂贵材料，并促进高新技术的发展。
常见的表面强化方法有以下几种：
1. 喷丸强化：通过高速喷射具有一定硬度的丸粒（如钢丸、玻璃丸等）对零件表面进行冲击，使其产生冷态塑性变形，从而提高硬度和抗磨性。
2. 滚压加工：利用滚压工具在零件表面形成一定的压缩层，提高其硬度和抗磨性。
滚压加工包括滚压、滚磨、滚光等方法。
3. 液体磨料强化：采用一种特殊的液体介质（如珩磨油、乳化液等），其中含有具有一定硬度的磨料颗粒。
通过液体介质对零件表面进行磨擦，使表面产生冷态塑性变形，从而提高硬度和抗磨性。
4. 表面热处理：通过改变零件表面层的组织结构，使其获得一定的硬度和强度。
常见的表面热处理方法有淬火、回火、渗碳、渗氮等。
5. 化学表面处理：通过化学方法改变零件表面的组织结构和性能，如化学镀、化学转化膜等。
表面强化工艺是一种通过各种方法提高零件表面性能的技术，可以延长零件的使用寿命，节约材料，并提高零件的性能。
在汽车制造、航空航天、机械制造等领域有广泛的应用。
喷丸强化技术的应用
痕或凹陷。由于产生 凹陷 ，金 属表层 必定 会产生 拉 伸。 表层下压缩 的晶粒试 图将表面恢复到 原来形状 ，从而 产 生一个高度压缩力作用下的半球 ，于是无数 凹陷重叠形
成均匀的残余压应力层。 众所周知 ，在一个压应力 区域 ，裂纹难 以形成或延
３ ．喷丸强化所用介质的选择
喷丸强化 使用 的介质包括 圆形 的小 钢丸 、不锈钢切 丝 、搪瓷珠或玻璃珠 ，最常用 的是铸钢 丸。如 果不希望 零件在强化后表面可能 留有一些 铁屑斑污 ，可选 择不锈
料 ，压应力与材料的拉伸强度直接关 联。材料拉伸 强度 越高 ，需要导人的压应力也越大 。高 强度材料具 有较坚 固的晶体结构 。晶格能抵挡较高程度 的挤压 ，从 而能存 储更多的残余应力。
质 （ 钢丸）连续捶打零件表面。每颗钢 丸撞击金 属零件
上 ，宛如一个 微型棒捶敲打表面 ，在工件 表面形成 小压
钢材 料介质 。
展。由于几乎所有的疲劳和应力腐蚀失效都发 生在零件 表面或靠近表面的地方 ，因而通 过喷丸强化导 入压应力 可显著地延长零件 寿命 。
很多金属疲 劳失效 的元 凶是拉应 力。这些拉应 力的
处理过的不锈钢切 丝 ，其 优点 是均匀 、一致且 高度 耐用 ，且 比钢丸有更多种不同等级硬度 和尺寸可供选择。 玻璃珠一 般 小而 轻 ，对 于 一些 精 密零 件 或易 损 零
强化对 于以下两种情况效果 特别显著 ：① 应力诱导
处。应力诱 导包 括 圆角 、缺 口、跨 孑 、凹槽和 键槽 等。 Ｌ 强化导入一个高强度 、局部压应 力 ，从而抵消这 些形状
１ ．喷丸强化的工艺原理
喷丸强化是一个冷处理过程 ，即无数 个小 圆形 的介
变化 引起 的拉应力集 中。②高强度 材料。对于高 强度材
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激光喷丸（LY2合金）
喷
喷
丸
丸
前
后
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马壮, 等. 特种加工技术与装备，10（2007）36.
激光喷丸（6061-T6合金）
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周建忠, 等. 中国激光，38（2011）0703009-1.
激光喷丸（6061-T6合金）
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周建忠, 等. 中国激光，38（2011）0703009-1.
第四节 喷丸技术新发展
0.1-0.8 mm
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硬化层内产生的两种变化
（1）形成高密度位错，其 在随后交变应力及温 度的作用下逐渐排列 规则，呈现多边形， 在硬化层内形成了更 小的亚晶粒；
（2）形成了高的宏观残余 压应力。
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第二节 喷丸强化设备及弹丸材料 设备 1）气动式喷丸机
优点：操作灵活 。 缺点：功耗大、效率低。 应用：要求喷丸强度较低、
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王欣, 等. 材料保护，44（2011）9.
2124-T851铝合金喷丸
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王欣, 等. 材料保护，44（2011）9.
Al-Zn-Mg合金高能喷丸 样品在真空炉中固溶处理（480℃，60min）， 直径8mm的不锈钢弹丸
李茂林. 中国表. 面工程，20（2007）18.
Al-Zn-Mg合金高能喷丸
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李茂林. 中国表面工程，20（2007）18.
Al-Zn-Mg合金高能喷丸
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李茂林. 中国表面工程，20（2007）18.
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陈勃, 等. 航空学报，31（2010）519.
第四节 喷丸技术新发展
激光喷丸
短脉冲的高峰值功率密度的激光辐 射金属靶材时，金属表面吸收层吸 收激光能量发生爆炸性汽化蒸发， 产生高温高压的等离子体，该等离 子体受到约束层的约束而产生高强 度压力冲击波，作用于金属表面并 向内部传播。当冲击波的峰值压力 超过金属的动态屈服强度时，金属 表面就会产生应变硬化，并残留很 大的压应力。
超声喷丸
超声喷丸与普通喷丸的主要区别为弹丸（或 撞针）从各方向以超声频撞击已被固定的材料表面。
优势：实施方便、效果显著、适应面广、消耗低等。 应用： 1）由于其引入材料内部的能变较大,常用于实现
材料表面的纳米化,降低氮化温度等方面； 2）在飞机、坦克、汽车和各种机械设备的齿轮、
轴承、涡轮盘、叶片及模具、切削工具等。
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张新华, 等. 航空制造技术，13（2008）78.
超声喷丸与普通喷丸效果比较 （7075-T651合金）
张新华, 等. 航空制造.技术，13（2008）78.
谢谢各位！ 不足之处敬请指正！
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品种多、批量小、 形状复杂、尺寸较 小的零件。
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2）机械离心式喷丸机
优点：功率小、效率高、 喷丸质量稳定。
缺点：设备制造成本高。 应用：要求喷丸强度高、
品种少、批量大、 形状简单、尺寸较 大的零件。
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弹丸
形状尺寸：一般为圆球形，直径一般 为0.05-1.5mm。
材质：铸铁丸、铸钢丸、不锈钢丸、 弹簧钢丸、玻璃丸、陶瓷丸等。
第三讲 表面改性技术
（喷丸强化技术）
邢亚哲 博士/副教授 长安大学 材料表面强化研究所
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主要内容
喷丸强化原理 喷丸强化设备及弹丸材料 喷丸强化应用及研究 喷丸技术新发展
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第一节 喷丸强化原理
概念：是将大量高速运动的弹丸连续喷射到零件表 面上，使金属表面产生强烈的塑性变形，形 成一定厚度的形变硬化层的工艺过程。
王明涛, 等. 航空制造技术，5（2012）92..
7075铝合金喷丸
胡永会, 等. 材料研究与. 应用，4（2010）174.
胡永会, 等. 材料研究与. 应用，4（2010）174.
胡永会, 等. 材料研究与. 应用，4（2010）174.
2124-T851铝合金喷丸
二次喷丸： 铸钢丸+玻璃丸
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张新华, 等.喷丸效果比较 （7075-T651合金）
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张新华, 等. 航空制造技术，13（2008）78.
超声喷丸与普通喷丸效果比较 （7075-T651合金）
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张新华, 等. 航空制造技术，13（2008）78.
超声喷丸与普通喷丸效果比较 （7075-T651合金）
应用： 1）黑色金属零件：铸钢丸、铸铁丸或玻璃丸； 2）有色金属和不锈钢零件：玻璃丸或不锈钢丸。
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第三节 喷丸强化应用及研究
目的：细化晶粒，提高性能。
流变区
过渡区
Al-Si合金喷丸处理后断面结构
李慕勤, 等. 材料表面. 工程技术，2010.
材料：2024-T351铝合金板材
王明. 涛, 等. 航空制造技术，5（2012）92.