一种用于强化 6061 铝合金内表面的反射式超声喷丸新方法

《Measurement》：A novel method of reflective ultrasonic shot peening for strengthening the inner surface of 6061 aluminum alloy

　　

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  反射式超声喷丸可实现高残余压应力（?238 MPa）。
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  反射式超声喷丸可在试样内部形成梯度细晶结构。
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  反射式超声喷丸可使摩擦系数降低 20.2%，磨损率降低 34.6%。
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  反射式超声喷丸的强化效果与普通喷丸基本相当。

引言

在航空航天、汽车等行业领域，螺栓孔、液压缸筒和高压阀体等零件的内表面在高应力、交变载荷和频繁冲击下容易出现过度磨损和疲劳失效，严重影响这些零件的使用性能和服务寿命。因此，增强这些内表面的机械性能是减少磨损、缓解疲劳失效和延长零件使用寿命的有效方法 [1], [2]。许多研究表明，喷丸可以通过植入残余压应力（RCS）和细化晶体结构来增强材料的表面机械性能、耐疲劳性和耐腐蚀性。之前的研究已证实，USP（超声喷丸）作为一种典型的表面强塑性变形技术，能够有效调控微观结构并改善合金钢表面的机械和摩擦学性能。Yin 等人 [3], [4], [5] 使用 USP 对 AISI 9310 齿轮钢和 GCr15 轴承钢进行了表面处理。在他们的研究中，揭示了梯度纳米结构的形成和演化规律。阐明了位错增殖、晶粒细化、碳化物破碎和碳元素偏析的微观机制。定量测试已证实，梯度纳米表面可显著提高材料显微硬度并降低磨损率。建立了微观结构与耐磨性之间的相关性。这些研究可为用于航空齿轮和轴承的高强度合金钢的表面梯度结构设计提供重要的理论参考和工程应用价值。目前，在现有的表面强化喷丸方法中，如机械喷丸（SP）[6], [7]、激光冲击强化（LSP）[8], [9]、USP [10], [11]、水射流喷丸（WJSP）[12]、空化喷丸（CSP）[13] 等，虽然它们可以强化材料表面，但基本上只适用于外表面强化或大型零件的内表面强化，无法强化狭窄空间内的内表面，特别是小直径和大长径比零件。超声滚强化轮只能作用于零件外表面进行强化或较大内径的大型零件内表面 [14], [15]。在普通喷丸工艺中，丸粒冲击（机械喷丸）和激光束（激光喷丸）无法有效到达零件内表面，无法对需要强化的内表面均匀作用。

为了解决这些问题，一些研究人员改进了现有的表面喷丸工艺，提出了一些能够有效强化内表面的方法。水射流喷丸是一种利用高压水流冲击材料表面的表面强化方法。高压水流的动量传递和冲击在材料表面引起小的塑性变形，从而提高表面性能 [16]。Mohamed 等人 [17], [18] 提出了在水射流中添加固体颗粒的方法。形成了一种包含更大能量和更强冲击能力的固液混合射流，称为磨料水射流。为了强化零件的内表面，Yao 等人 [19], [20] 提出了一种偏转磨料水射流喷丸技术。设计的偏转喷嘴可以接近复杂几何轮廓的上部或穿透封闭空间，并沿着预定轨迹强化零件的内表面。该工艺被应用于镍基高温合金 GH4196。处理后试样的表面显微硬度和 RCS 分别增加到 573HV（增加了 18.1%）和 991 MPa。测试表面上的硬化层深度和 RCS 层深度分别达到 120–180 μm 和 112–203 μm。虽然偏转磨料水射流喷丸可以实现复杂内表面的喷丸强化，但这种强化方法操作复杂且效率极低，相对较低的喷丸表面速度 5 mm²/s 严重限制了其在工程实践中的应用。CSP [21], [22] 的工作原理是利用水射流、激光脉冲或超声波的能量在水中产生高压气泡，并利用气泡破裂的冲击力在材料表面形成塑性变形坑。同时，植入 RCS。细化微观结构。最终实现材料表面的强化。Bai 等人 [23] 使用 CSP 强化不锈钢空心管的内表面。超声波工具头设计成箭头形状并插入管内。这是为了在工具头和待强化内表面之间创建一个狭窄间隙，以增加空化强化的有效性。经过 CSP 处理的空心管的平均表面粗糙度（Ra）从 1.03 μm 降低到 0.99 μm。内表面的平均硬度从 211.6 HV 增加到 237.8 HV。可以看出，表面粗糙度没有显著变化，但硬度增加了 12.38%。由于超声波在水中介质中沿深度传播的强度不同，空化强度对内表面的影响不一致，导致内表面强化的均匀性较差。Jung 等人 [24] 使用超声 CSP 强化反应器中压力容器喷嘴的内表面。该方法在喷嘴入口产生超声波，从内向外沿喷嘴轴传播。强化的喷嘴内表面植入了 RCS。然而，由于超声波的波动，长管内部的空化增强能量呈周期性分布。最大和最小 RCS 分别为 210 MPa 和 140 MPa。RCS 的轴向分布均匀性也较差。为了解决这个问题，Prabhu 等人 [21] 进一步改进了超声 CSP 工艺。通过每次调整水/气界面（向下移动 1 mm），波腹可以移动以沿管道全长实现均匀的空化和喷丸处理。该工艺被用于强化 304 不锈钢螺旋管的内表面。在管内表面植入了 250 MPa 的 RCS。然而，这种方法需要多次调整水/气界面。单个组件的内部表面喷丸可能需要几个小时，大大降低了喷丸效率。

综上所述，由于强化工艺的可达性有限，确保强化均匀性困难且效率低，零件内表面强化存在显著的研究挑战。本文提出了一种反射式 USP 方法，其中丸粒在超声波的激发下高速向上运动。经反射块反射后，它们冲击零件的内表面，引起严重的塑性变形并实现表面强化的效果。在反射式 USP 中，反射块的结构类型决定丸粒的轨迹，并直接影响内表面强化的均匀性。因此，有必要分析不同反射块结构对喷丸均匀性的影响，并选择合适的反射块结构以确保内表面的均匀强化。此外，由于在丸粒与反射块碰撞期间，丸粒的少量动能转化为其他形式的能量，反射后丸粒的动能将在一定程度上降低。丸粒的动能由 USP 参数决定，包括丸粒直径、SPT 和 UP。因此，有必要研究 USP 参数对表面 RCS、表面形貌、晶粒细化和显微硬度的影响，以获得耐磨表面的 USP 强化参数组合。

章节片段

样品

由于其高强度、重量轻、耐腐蚀、易加工成型等优异性能，6061 铝合金被广泛用于螺栓孔、低压液压缸筒和小阀体，能够满足航空航天和汽车等高端行业对材料轻量化、可靠性和多功能性的要求。本研究采用 6061 铝合金管件作为 USP 工件。其元素组成

反射块结构类型对喷丸强化均匀性的影响

零件表面强化过程中喷丸的均匀性对零件的性能有重大影响。均匀的喷丸可以确保零件的疲劳寿命、表面硬度和耐磨性的一致性。如果喷丸不均匀，容易发生局部应力集中和裂纹萌生。这将加速组件失效，降低整体可靠性和使用寿命。在反射式 USP 中，反射块的结构类型

结论

• (1)
  没有反射块的 USP 对试样内表面的强化效果非常差。与其他反射块相比，半球形反射块可以使丸粒运动轨迹分布更分散和均匀，更好地实现试样内表面的均匀强化。
• (2)
  反射式 USP 可以在 6061 铝合金内表面植入高达 ?155 MPa 的表面 RCS。在适当的工艺参数下，

CRediT 作者贡献声明

Zhi Chen: 写作 – 初稿，验证，资源，方法论，调查，资金获取，概念化。Yumeng Wei: 写作 – 初稿，方法论，调查，数据整理。Zouhao Song: 资源，调查，数据整理。Xiaoyan Wu: 资源，数据整理。Guojun Zhang: 调查，资金获取。Fenglin Han: 写作 – 初稿，验证，资源，方法论，调查，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的可能影响本论文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了湖南省自然科学基金 (Grant No. 2025JJ40042)、中南大学研究生科研创新项目 (Grant No. 2026ZZTS0377)、广东省基础与应用基础研究基金 (Grant No. 2023A1515140138)、广东省制造设备数字化重点实验室项目 (Grant No. 2023B1212060012)、湖南省重点研发计划 (Grant No. 2025JK2053) 的支持。

Zhi Chen|Yumeng Wei|Zouhao Song|Xiaoyan Wu|Guojun Zhang|Fenglin Han