高压水射流喷丸:水射流表面强化机理
发布日期:2021/7/27 10:56:43

高压水射流对材料的作用机理

 自 Zafred 提出通过高压水射流技术强化金属材料的构想开始,世界范围内的高压水射流表面强化技术研究已进行了数十年。该技术的基本原理为:低压水经高压水发生系统后从喷嘴射出,携带巨大动能冲击金属零部件表面,使材料表层在再结晶温度下发生塑性变形,得到理想的残余压应力分布与组织结构,从而提高工件的抗应力腐蚀能力与接触疲劳强度。

1.1  射流强化的宏观概述

 射流强化过程中,高能射流经由射流喷嘴射出,垂直冲击作用在工件表面,射流能量集中冲击作用在中心接触区域,通过喷嘴移动,射流束遍历待强化表面,如图 2-2 所示。

 工件表面发生如下变化:(1)表层组织结构优化(晶粒细化、位错密度增加等),硬度增大;(2)由塑性变形诱导的表层相变;(3)表面粗糙度值增大;(4)表层形成残余压应力场。强化处理后表层晶粒细化、位错密度增加、表层相变和形成残余压应力层,对提高工件的抗应力腐蚀能力与接触疲劳强度有益,而表面粗糙度值增大则有可能导致应力集中并引起裂纹的萌生与扩展。

 由于射流具有动压力从中心沿径向向外递减的特点,为使强化覆盖率达 100%,需选定合适进给量,使相邻两道射流束之间存在重叠区域,如图 2-2 所示。由图 2-3 可知,射流在中心接触位置速度为零,但压力最高,该位置被称为滞止点(点 A),此处界面冲击压力被称为滞止压力 p滞:

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 式中, p滞——射流的动压,即射流的滞止压力;

ue——射流的入射速度;

 A——射流的滞止压力作用面积;

 F ——射流强化作用力。

由式可知,随着滞止压力的增大,射流强化作用力也随之增大。通过增大高压水发生系统功率,增加射流喷嘴出口端压力,可以有效提升射流强化作用力,并增强射流强化效果。但在实际强化过程中,冲击作用力并非越大越好,需要控制在合理范围,因为在高能冲击作用下,不合理的能量选择,会使材料表面产生裂纹,最终发生材料侵蚀。

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1.2  射流强化的微观分析

 (1)纯水射流

 可将高压纯水射流视作一个个水团作用于工件表面,如图 2-4 所示,高速水团携带巨大动能冲击工件表面,使接触表层区域产生塑性变形,随着作用时间增加,塑性变形区域逐步扩展,同时水团开始向四周溃散,在已发生塑性变形的区域边缘位置产生少量剪切作用,增加强化表面的各项性能的同时表面粗糙度增加。

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 在冲击强化初始阶段,高速液滴冲击作用于工件表面,表层组织发生变形,形成许多小凹坑,随后液体向外流动并产生剪应力,材料表面在犁削作用下发生塑性变形,并使凹坑外缘升高,产生一组峰和谷,凹坑为谷,环缘为峰,如图 2-5 所示。在此过程中,材料表面粗糙度不断增大,并最终在表层形成一层强化层。

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 强化过程需要控制射流冲击能量,避免对强化表面的大范围破坏。在图 2-6 中可以看出,在射流能量过高时,工件材料会发生明显剥离,严重影响工件表面完整性。经由纯水射流强化作用后的工件横截面金相图如图 2-7 所示,由图可明显看出,强化后的工件材料表层发生明显变化,表层组织发生严重变形,晶粒在浅表层被严重细化,随着深度增加,细化程度降低,并逐渐转变为原始状态。

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(2)磨料水射流

 磨料水射流与纯水射流的唯一区别在于是否添加磨料颗粒,在相同压力条件下,磨料水射流所具备的能量远超纯水射流。因此在磨料水射流强化作业中,采用的射流压力低于纯水射流,以此保证材料表面完整性。

 在磨料水射流中,水主要起到对磨料粒子加速与引流的作用,相较于磨料粒子的强化效果很弱,因而在分析磨料水射流强化的微观机理时,主要以磨料粒子为研究对象。与纯水射流的水团不完全相同,磨料水射流的磨料颗粒作用于工件表面时,接触表层区域产生塑性变形,随着作用时间增加,塑性变形区域逐步扩展。

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 由于磨料粒子为固体颗粒,在与工件表面接触时不会像水团一样发生溃散,大部分磨料颗粒会在材料上表面发生反弹,脱离强化表面,极少量磨粒会嵌入工件浅表层,在磨料颗粒的持续作用下,表层的强化层最终得以形成。而在磨料水射流中表层流动的水相可以起到一定的润滑作用,水的存在使磨粒和金属表面之间形成了水介质薄膜,改善了磨粒与工件材料表面的摩擦状态,如图 2-9 所示。在此理论基础上,磨料水射流的强化质量应当优于传统喷丸强化,水相的介入应当会得到更优的表面粗糙度,但在目前的诸多研究中,射流强化的表面质量并不尽如人意,主要是受到压力波动与磨粒混合效果的综合影响。

 


 


 


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