喷丸表面强化在设备维修中的应用
喷丸表面强化是将大量高速运动的弹丸喷射到零件表面，使金属零件表面产生一定的塑性变形，从而获得一定厚度的喷丸表面强化层的工艺过程。
根据美国的统计资料，机械零件的破坏中60％—90％是由于疲劳破坏造成的。其中在航空工业中疲劳损坏约占90％，因为它直接关系到飞行的安全和人们的生命财产问题，二次大战以来最受人们重视。怎样提高机械零件的抗疲劳强度，根据研究机械零件的失效原因来看，一是要进行合理的计算和设计；二是要正确选择材料；三是制定合理的工艺。研究证明，零疲劳破坏主要是从表面开始，从零件内部产生疲劳破坏只是个别现象。因此应用表面强化技术，提高机械零件的抗疲劳强度已成为研究和在生产及维修中应用的重要课题。从延长零件的使用寿命来看，在零件的制造和维修中，零件表面强化技术近年来越来越受到人们的重视。 喷丸强化加工产生于20世纪20年代，最先在汽车工业中应用。60年代之后，又在航空工业中得到了更为广泛的应用。飞机和发动机中的一些关键承力件经过喷丸强化之后，其强化效果显著，成本低廉，使得所有其他表面强化工艺都相形见细。我国已经为喷丸强化的应用和发展开发了必要的软件和硬件。硬件包括喷丸设备、强化用各种弹丸、用于质量控制的弧高度试片，测量试片弧高度值的夹具及测具等。软件包括喷丸强化工艺指导性技术文件、各类标准、喷丸强化手册、喷丸强化工艺参数等技术资料。由上述硬件和软件连同强化的基本理论以及在工业生产中的实际应用，一起构成了一个自成体系的喷丸强化工程，能够完成形状复杂零件的喷九强化，达到预定的强化质量。
1、喷丸强化机理
在喷丸过程中，弹丸(钢丸、铸铁丸、玻璃丸、硬质合金丸)犹如无数的小锤反复击打金属表面，使表面产生塑性变形，这种塑性变形使零件表面产生一定厚度的加工冷作硬化层，该层称为喷丸表面硬化层。从组织结构上看，强化层内形成了密度极高的位错。在交变应力或温度同时作用下，符号相反的位错相遇后会相互抵消，符号相同的位错将重新排列，形成多边形化。此时，强化层内位错密度虽有下降，但逐渐形成更加细小的亚晶粒。从应力状态上看，由于表层与内层金属变形的不均匀性，表层向四周塑变延伸时，受到内层金属的阻碍，使强化层内形成了较高的残余压应力。
一般零件的疲劳破坏是由于其承受了反复或循环作用的拉应力引起的，如果没有残余压应力，便在零件表面开始破坏，而且拉应力越大，提早破坏的可能性越大。零件喷丸表面强化层有着与内层材料完全不同的组织结构和应力状态。高密度的位错和细小的亚晶粒，提高了材料的屈服强度，从而控制了疲劳源的产生，使零件表面的疲劳强度大大提高，表面残余压应力的存在，可部分抵消引起零件疲劳破坏的循环拉应力或者使零件表面始终处于压应力状态，疲劳源的形成进一步得到抑制，疲劳裂纹的扩展也被延缓，从而显著地提高了零件的抗疲劳性能。
在中温条件下，只要喷丸表面强化层的组织无明显回复，上述的强化效果仍将保留。在高温条件下，由于喷丸表面强化层内发生了回复与再结晶，表面残余应力基本消失，但再结晶使零件表层形成了一层不同于心部的细晶粒层，此晶粒层也将提高零件的高温疲劳强度。
2、喷丸强化设备和材料
（1）喷丸机
根据弹丸获得动能的方式，可将喷丸机分为两种类型：气动式喷丸机和机械离心式喷丸机。根据其使用场合可分为可携式和固定式喷丸机。喷丸机通常应包括以下几个主要部分：
喷丸强化室(主机)；弹丸提升机构；弹丸筛选机构；排尘机构；电控系统。一般要根据所需要强化零件的种类及产量，专门设计制造专用的喷九机。
超音速表面喷丸的生产效率是普通喷丸的2—4倍，特别适用于大型结构件表面高效喷丸强化。超音速喷枪射出的弹丸速度为300—500M／s，随着零件的转动可实现整个零件表面的喷九强化。
（2）喷丸介质
喷丸强化用的介质是弹丸，首先要求它应具有圆球形状，其次是在具有一定冲击韧性的情况下，硬度越高越好。从弹丸的材料可分为黑色金属、有色金属和非金属弹丸。常用的弹丸材料及其要求如下：
1．铸铁及铸钢弹丸
一般使用的铸铁弹丸的含碳量为2.75％—3.6％，其硬度为HRC58—65。由于这种弹丸韧性较差，易于破碎，所以逐渐被弹簧钢九代替。
2．钢弹丸
我国各工厂目前所采用的钢弹丸一般是用弹簧钢丝切制而成的，弹簧钢丝的直径为0.6—1.2mm。用专门的自动切割机将一束钢丝首先切成与其直径相同的圆柱体，然后将这些圆柱体在废旧零件上喷射，或置入滚筒中滚动，直至圆柱体尖棱角完全消除为止，由此而获得较为圆滑的钢弹丸。作为喷丸强化用的钢弹丸，最适宜的硬度为HRC45－50。钢丸的使用寿命取决于金相显微组织。实践证明，热处理成为回火马氏体和贝氏体组织的弹丸寿命为最长。另外弹丸的使用寿命还取决于弹丸的直径大小，直径越小使用寿命相对延长。例如直径为1.1mm的弹丸使用寿命平均为840次(撞击次数)，而直径为0.55mm的弹丸使用寿命平均为1390次。
虽然钢丸的材料费用较高，但是总的说来钢丸的使用寿命要比铸铁丸的长20倍左右，所以材料费用仅为铸铁丸费用的十几分之一，目前已经逐渐代替了铸铁丸。
3．玻璃弹丸
利用玻璃作为喷丸强化介质还是近十几年来才发展起来的，主要是在航空工业部门中获得了较为广泛的应用。
在喷丸强化过程中，由于弹丸的破碎或磨损，往往需要更换或补充新的弹丸，这就出现了新旧弹丸搭配使用的比例问题。如果使用的为玻璃弹丸，则是新弹丸为最好，因为新弹丸破碎率最小；如果使用钢弹丸时，则新弹丸不如旧弹丸形状圆。在喷丸强化的正常生产过程中，应该严格地控制新旧弹丸的比例，以保证弹丸在直径和几何形状上80％以上达到要求，这是保证弹丸强化质量的重要环节之一。还要根据不同材料和不同零件选择不同的喷丸介质。例如对钢零件，一般采用铸铁、铸钢或钢弹丸。只有在最佳的喷丸强化工艺参数之下，才可获得最佳的强化效果，过高和过低的喷九强度均不会得到好的强化效果。选择合适的强化工艺参数，是喷丸强化技术中的核心问题。
3、喷丸表面强化在设备维修中的应用
（1）对金属材料的强化
喷丸强化适合于各种金属材料，包括粉末烧结材料。各种铝合金、钻合金、结构钢和不锈钢等经喷丸处理后室温和高温疲劳强度都得到强化。电镀和表面脱碳对300M超高强度钢的疲劳强度带来损伤，而喷丸可以弥补电镀带来的损伤。从大量实验结果可以发现：
(1)喷丸可以提高金属材料室温和高温下的疲劳性能，其提高幅度取决于选择的喷丸强化工艺参数。
(2)由于超高强度钢具有更高的缺口疲劳敏感性，所以它比低、中强度钢显示出更高的强化效果。
(3)缺口试样比光滑试样具有更高的强化效果。
(4)钢的表面镀铬(或镀镍)，会极大地降低疲劳强度，而喷丸可以弥补电镀所产生的损失。
(5)喷丸能有效的改善表面有浅裂纹试样的疲劳强度。
（2）对机械零件的强化
我国工业生产中已经采用喷丸强化的零件很多，如飞机和燃气轮机等的叶片；内燃机、汽车等的弹簧和齿轮；各种轴和杆件；矿山及油田钻井机械的圆环和滚子链条；核反应堆热蒸发器的管件等。凡经强化的零件，其使用寿命均获得大幅度的提高。
(1)南汽生产的NJD433内燃机用的55CrSiA气门弹簧，其疲劳寿命一直在6×106上下徘徊。采用最佳工艺参数喷丸强化后，其寿命达到了2．3×107，第一次达到国际规定的寿命。喷丸强化的2Crl3叶片，其疲劳强度极限可提高53％。
(2)近年来采用喷丸强化，提高了矿用圆环链条的使用寿命。国外对圆环链已经采用了预应力喷九，它比常规喷丸能获得更高的强化效果。在渤海油田平台钻机上使用喷九链的结果表明，喷丸链的使用寿命提高了一倍，接近了国外同类产品的先进水平。
（3）旋片喷丸及其在零件维修中的应用
旋片喷丸是通过特种胶粘剂使弹丸牢固地粘着在旋片上，高速旋转并反复撞击零件的金属表面，达到强化效应的目的。
旋片喷丸工艺在我国首先是在民航维修基地应用。目前已应用旋片喷丸强化的零部件包括飞机水平尾翼大梁表面及接头孔壁表面；垂直尾翼前后接头表面和接头固定座表面；主起落架横梁连接孔壁等等。
旋片喷丸表面强化技术具有简便、灵活、经济等特点，适用于大型构件、不可拆卸部件和内孔的现场原位施工，应大力推广应用。
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