一种改善铝合金零件表面喷丸强化的方法
阅读说明：本技术 一种改善铝合金零件表面喷丸强化的方法 (Method for improving shot peening strengthening of surface of aluminum alloy part ) 是由 张韶佳 陈昕 胡方亭 王龙 刘娇婷 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明属于特种工艺技术领域中的金属材料表面强化技术,一种改善铝合金零件表面喷丸强化的方法。包括设备检查-零件检查-喷丸用压缩空气质量检查-零件的喷丸强化-丸粒残留物检测等步骤实现铝合金零件表面喷丸强化。通过减小喷丸压力、减少喷丸遍数和增加丸粒筛分系统等工艺改进改善,有效解决了丸粒残留问题,保证了零件表面喷丸质量；提出了详细的喷丸零件表面质量理化检测分析方法,从而有效的控制零件表面质量,避免丸粒残留带入的质量问题。(The invention belongs to a metal material surface strengthening technology in the technical field of special processes, and relates to a method for improving shot blasting strengthening of the surface of an aluminum alloy part. The method comprises the steps of equipment inspection, part inspection, compressed air quality inspection for shot blasting, shot peening of the part, shot residue detection and the like to realize the shot peening of the surface of the aluminum alloy part. Through the improvement of the processes of reducing shot blasting pressure, reducing shot blasting times, increasing a shot screening system and the like, the problem of shot residue is effectively solved, and the shot blasting quality on the surface of a part is ensured; a detailed shot blasting part surface quality physicochemical detection analysis method is provided, so that the part surface quality is effectively controlled, and the quality problem caused by shot residue is avoided.)
技术领域
本发明属于特种工艺
技术领域
中的金属材料表面强化技术，一种改善铝合金零件表面喷丸强化的方法。背景技术
喷丸处理是一种表面强化处理工艺。喷丸处理是以压缩空气喷出或离心式喷丸机借离心力，将丸粒高速喷射到工件表面，对工件表面进行强烈的冲击，使其表面发生塑性变形，从而达到强化表面和改变表面状态的一种工艺方法。丸粒冲击金属表面，第一使零件表面生成0.1-0.4mm深的硬化层，增加零件表面对塑性变形和断裂的抵抗能力，并使表层产生压应力，提高其疲劳强度，第二使零件表面上的缺陷和由于机械加工所带来的损伤减少，从而降低应力集中，提高零件的抗疲劳性能和延长工作寿命。铝合金零件表面常见的是采用喷玻璃丸粒进行表面强化，喷丸后对零件表面进行覆盖率检查。
查阅之前所有失效分析资料，未见提出过因喷丸工艺参数设计不合理导致丸粒残留零件表面而致使零件断裂的故障，查阅现行有效专利，也未见提出过除覆盖率检查外，进一步的控制喷丸零件表面质量的检测方法。
然而，在处理某直升机一等事故的失效分析过程中，发现故障零件的断裂性质为疲劳，断裂起源于一个剥落块，而剥落块的性质也为疲劳，为此对剥落块的裂纹起始边缘进行横截面分析，发现零件表面存在不连续分布的富含Si、O元素的不导电镶嵌物，导致零件表面出现类似微裂纹，造成应力集中并在应力作用下断裂。经分析，该不导电富硅镶嵌物为喷丸所使用的玻璃丸粒成分。同时发现了采用制备零件横剖面金相试样的方式，在扫描电子显微镜二次电子成像模式下，放大100倍左右进行面扫描分析的检测方法，会分析出丸粒残留物的分布和含量。因此对零件表面的喷丸质量检查也逐渐凸显重要性。
原喷丸工艺设计参数及生产过程为：喷丸设备采用70年代自主研制的专用工艺设备，喷丸压力选取P＝0.4MPa，喷嘴距离L＝180～200mm，零件运行速率V＝570mm/min，表面喷JC-03-93标准玻璃丸粗丸(0.19-0.5mm)2遍、细丸(0.05-0.18mm)2遍强化，丸粒连续循环使用，设备不带丸粒筛分功能。
为分析零件断裂的主要原因，在原有设备和工艺条件的基础上，通过大量对比试验，发现并总结出以下结论。
(1)在现有的0.4MPa喷丸压力、自主研制喷丸设备、采用0.05-0.18和0.19-0.5两种规格的国产丸粒，进行粗丸喷2遍、细丸喷2遍的丸粒不循环喷丸工艺零件，不管何种服役状态(事故机、到寿件以及疲劳试验合格件)的零件表面均有明显的丸粒残留物，且残留物含量没有明显的变化，属普遍现象；
(2)丸粒残留物发生在喷丸工序过程中，表面处理及热处理只会加重丸粒的渗入量；
(3)在零件喷丸设备，其它喷丸参数不变的情况下，采用0.4MPa喷丸压力的试验件表面富硅镶嵌物数量明显于多0.25MPa喷丸压力，表明现有的0.4MPa喷丸压力偏大，采用0.25MPa低喷丸压力比较合适；
(4)按照现有的0.4MPa喷丸压力、自主研制喷丸设备、国产丸粒喷丸4遍，每遍喷丸后均能从试样中观察到富硅镶嵌物形貌，开始喷细丸之后，富硅镶嵌物含量明显增多并呈递增趋势；在其他技术条件不变的情况下，将国产丸粒换成进口丸粒AGB70，每遍喷丸均采用全新丸粒，一共喷丸四遍，每遍喷丸后试样均能观察富硅镶嵌物形貌、类似微裂纹形貌，富硅镶嵌物含量呈递增趋势；试验表明，喷丸遍数越多，越不利于喷丸表面形貌；
(5)采用数控喷丸设备喷丸进口丸粒的试验件表面均不会产生富硅镶嵌物，表明设备不合理。
综上所述，不合理的喷丸设计参数和不适当的喷丸工艺喷丸后零件表面会有玻璃珠残留，为此针对该项技术问题及发现，提出了一种改善铝合金零件表面喷丸强化的方法发明，同时提出了一种检测喷丸零件表面质量的分析方法发明。
发明内容
本发明的一个目的是解决现有喷丸设备和喷丸工艺参数设计不合理的问题，提出一种降低喷丸压力、减少喷丸遍数和增加丸粒筛分系统的铝合金零件表面喷丸强化改善方法来有效避免喷丸后造成的丸粒残留。
技术方案
一种改善铝合金零件表面喷丸强化的方法，包括如下步骤：
步骤1.设备检查：保证喷嘴干净、不堵塞，玻璃丸入厂复验合格，玻璃丸数量满足要求，喷丸设备运行正常；
步骤2.零件检查：零件外表面粗糙度符合要求，无斑点、划伤、碰伤、锈蚀等缺陷，零件外表面用棉布蘸180#汽油擦拭，保持喷丸表面清洁无脏物；
步骤3.喷丸用压缩空气质量检查：用一块清洁、干燥、面积不小于70mm×70mm的镜子或玻璃对压缩空气进行检查，压缩空气喷嘴垂直镜面，喷嘴距镜面203mm～254mm，将阀门开至最大，吹气15S～30S后，目视检查，镜面上不应有可见的油污、水份或固体颗粒的残留物；
步骤4.零件的喷丸强化：设定喷丸压力P＝0.25MPa，零件运行速率V＝570mm/min，测量、调整喷嘴距离L＝180～200mm，丸流与零件被喷区域表面法线之间夹角小于45°，开启丸粒筛分系统、喷丸机除尘系统和零件传输电机，向喷丸机内添加符合要求的干燥、洁净的玻璃粗丸(0.19～0.50mm)，保证零件在不受外力的自由状态下进行喷丸2遍粗丸工艺；
步骤5.丸粒残留物检测：对同批次零件的试验件进行横截面金相制样，利用扫描电镜面扫描方式对丸粒残留物进行检测分析，均未检测到富硅残留物分布。
进一步的，中玻璃丸的物理和化学性能应满足SiO2含量不小于67％，密度不小于2.3g/cm3，硬度不低于500HV。
进一步的，步骤1中玻璃丸尺寸规格为0.19-0.5mm，具体检测方法采用振动筛分方法，要求25目筛网全部通过，30目筛网上残留不超过5％，过120目筛网的不超过5％。
进一步的，步骤1中玻璃丸应保证250-300kg，每喷丸两件零件后应向喷丸机内加入125-150kg玻璃丸，以确保满足连续喷丸的需求。
进一步的步骤2中对零件规格喷丸区内的所有锐变和尖角按照固定尺寸进行倒圆处理。防止损伤。
进一步的，步骤2中金属零件具体为LD2型材大梁，为当前直升机主浆叶大梁使用的材料，因涉及等因素短期内无法更改。
进一步的，步骤4中在正式喷丸零件前，应用一块废弃钢板(HRC40-45)进行试喷，当玻璃丸能够正常喷射才可喷丸零件。
进一步的，步骤4中对金属零件内腔应塞入棉布进行保护处理，以防止玻璃丸进入内腔喷丸。
技术效果
1.本发明通过在原自主研制的半机械式喷丸设备上，通过减小喷丸压力、减少喷丸遍数和增加丸粒筛分系统等工艺改进改善，有效解决了丸粒残留问题，保证了零件表面喷丸质量；
2.本发明提出了不适当的喷丸工艺参数和工艺方法喷丸会在零件表面残留丸粒镶嵌物，给零件使用造成严重的安全隐患，这在国内没有被重视过；
3.本发明提出了详细的喷丸零件表面质量理化检测分析方法，从而有效的控制零件表面质量，避免丸粒残留带入的质量问题，这在国内也没有被提及过。
附图说明
图1喷丸强化过程示意图
具体实施方式
下面我们结合几个实施例，对本发明做出进一步的说明：
实施例一：
1.设备检查：喷嘴干净、不堵塞，玻璃丸入厂复验合格，玻璃丸数量满足要求，喷丸设备运行正常；
2.零件检查：零件外表面粗糙度符合要求，无斑点、划伤、碰伤、锈蚀等缺陷，用棉布蘸180#汽油擦拭零件外表面，保持喷丸表面清洁无脏物；
3.喷丸用压缩空气质量检查：用一块清洁、干燥、面积为70mm×70mm的镜子对压缩空气进行检查，压缩空气喷嘴垂直镜面，喷嘴距镜面235mmmm，将阀门开至最大，吹气25S后，目视检查，镜面上无可见的油污、水份或固体颗粒的残留物；
4.零件的喷丸强化：设定喷丸压力P＝0.25MPa，零件运行速率V＝570mm/min，测量、调整喷嘴距离L＝190mm，丸流与零件被喷区域表面法线之间夹角30°，向喷丸机内添加玻璃粗丸(0.19～0.50mm)，开启丸粒筛分系统、喷丸机除尘系统和零件传输电机，保证零件在不受外力的自由状态下进行喷丸2遍粗丸工艺；
5.丸粒残留物检测：对零件随炉试验件进行横截面金相制样，利用扫描电镜面扫描方式对丸粒残留物进行检测分析，未检测到富硅残留物分布。
实施例二：
1.设备检查：喷嘴干净、不堵塞，玻璃丸入厂复验合格，玻璃丸数量满足要求，喷丸设备运行正常；
2.零件检查：零件外表面粗糙度符合要求，无斑点、划伤、碰伤、锈蚀等缺陷，用棉布蘸180#汽油擦拭零件外表面，保持喷丸表面清洁无脏物；
3.喷丸用压缩空气质量检查：用一块清洁、干燥、面积为70mm×70mm的镜子对压缩空气进行检查，压缩空气喷嘴垂直镜面，喷嘴距镜面220mmmm，将阀门开至最大，吹气20S后，目视检查，镜面上无可见的油污、水份或固体颗粒的残留物；
4.零件的喷丸强化：设定喷丸压力P＝0.25MPa，零件运行速率V＝570mm/min，测量、调整喷嘴距离L＝180mm，丸流与零件被喷区域表面法线之间夹角30°，向喷丸机内添加玻璃粗丸(0.19～0.50mm)，开启丸粒筛分系统、喷丸机除尘系统和零件传输电机，保证零件在不受外力的自由状态下进行喷丸2遍粗丸工艺；
5.丸粒残留物检测：对零件随炉试验件进行横截面金相制样，利用扫描电镜面扫描方式对丸粒残留物进行检测分析，未检测到富硅残留物分布。
实施例三：
1.设备检查：喷嘴干净、不堵塞，玻璃丸入厂复验合格，玻璃丸数量满足要求，喷丸设备运行正常；
2.零件检查：零件外表面粗糙度符合要求，无斑点、划伤、碰伤、锈蚀等缺陷，用棉布蘸180#汽油擦拭零件外表面，保持喷丸表面清洁无脏物；
3.喷丸用压缩空气质量检查：用一块清洁、干燥、面积为70mm×70mm的镜子对压缩空气进行检查，压缩空气喷嘴垂直镜面，喷嘴距镜面240mmmm，将阀门开至最大，吹气28S后，目视检查，镜面上无可见的油污、水份或固体颗粒的残留物；
4.零件的喷丸强化：设定喷丸压力P＝0.25MPa，零件运行速率V＝570mm/min，测量、调整喷嘴距离L＝200mm，丸流与零件被喷区域表面法线之间夹角25°，向喷丸机内添加玻璃粗丸(0.19～0.50mm)，开启丸粒筛分系统、喷丸机除尘系统和零件传输电机，保证零件在不受外力的自由状态下进行喷丸2遍粗丸工艺；
5.丸粒残留物检测：对零件随炉试验件进行横截面金相制样，利用扫描电镜面扫描方式对丸粒残留物进行检测分析，未检测到富硅残留物分布。
本发明的特点还在于失效分析过程中采用了以下分析方法：
1.以事故机零件为例，研究现有喷丸参数和使用丸粒条件下，不同服役状态的零件表面残留物情况，分析属个案还是普遍现象；
2.通过同批次铝合金试块，研究丸粒残留物具体产生在哪个工艺环节；
3.通过同批次铝合金试块，研究不同喷丸压力下采用相同丸粒的试块表面残留物对比情况；
4.通过同批次铝合金试块，研究同一喷丸压力下采用丸粒循环和丸粒不循环方式喷丸的的试块表面残留物对比情况；
5.通过同批次铝合金试块，研究现有工艺参数条件下采用不同标准及规格的丸粒喷丸后试块表面残留物对比情况；
6.通过同批次铝合金试块，研究采用数控喷丸设备喷不同标准及规格的丸粒喷丸后试块表面的残留物对比情况；
7.得出结论发现。
本发明的另一个目的是提出了一种新型的检测零件表面喷丸后残留丸粒镶嵌物的分析方法，从而解决了铝合金零件喷丸强化后表面质量的控制手段问题。本发明通过在原自主研制的半机械式喷丸设备上，通过减小喷丸压力、减少喷丸遍数和增加丸粒筛分系统等工艺改进改善，有效解决了丸粒残留问题，保证了零件表面喷丸质量；提出了不适当的喷丸工艺参数和工艺方法喷丸会在零件表面残留丸粒镶嵌物，给零件使用造成严重的安全隐患，这在国内没有被重视过；提出了详细的喷丸零件表面质量理化检测分析方法，从而有效的控制零件表面质量，避免丸粒残留带入的质量问题，这在国内也没有被提及过。
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