本項研究是由FerroECOBlast?Europe公司的研發(fā)部門(mén)與Jo?ef Stefan研究所（斯洛文尼亞的領(lǐng)先科學(xué)實(shí)驗室和格拉茨的Joanneum研究中心）合作進(jìn)行，研究了噴丸處理對增材制造零件的影響。

隨著(zhù)增材制造技術(shù)（也稱(chēng)為3D打?。┑娘@著(zhù)發(fā)展，在非常規結構和材料的表面處理方面出現了新的準則和要求。冷微鍛造，俗稱(chēng)噴丸處理，是一種眾所周知的表面處理工藝，通常用于航空航天和汽車(chē)等要求最苛刻的行業(yè)的機械零件上。噴丸處理改善了機械零件的工藝性能并延長(cháng)了其使用壽命。

問(wèn)題在于，孔隙率和由此產(chǎn)生的微裂紋在多大程度上影響了3D打印零件的機械特性，以及對此如何進(jìn)行改善。當前研究分為多個(gè)方向：退火和金屬微觀(guān)結構的相應變化，壓縮/軋制，以及可能是最合適的現代噴丸處理。由于A(yíng)M（Additive Manufacturing; 增材制造）技術(shù)相對較新，對此類(lèi)機械零件的噴丸效果尚未進(jìn)行廣泛研究，因此決定對采用增材制造生產(chǎn)的金屬零件進(jìn)行噴丸效果研究。

測試概述

不同的3D打印工藝有利于復雜零件和原型件的制造，因此很難選擇使用這些工藝制造的典型機械零件作為測試對象。本研究選擇了一種常用于實(shí)驗室進(jìn)行疲勞強度試驗的普通試件。試件采用SLM（選擇性激光熔化）工藝，也稱(chēng)為L(cháng)PBF（激光粉末熔珠）工藝來(lái)制造。在材料方面，本研究選擇了三種不同的常用金屬合金：

1. 鋁合金AlSi10Mg

2. 馬氏體時(shí)效鋼MS1（DIN 1.2709）

3. 鈦合金Ti6Al4V

圖1：試件–3D打印試件

左：未經(jīng)處理的原始零件?右：噴丸前的研磨件

熱處理

清除3D打印試件上的殘余灰塵和氧化物，然后進(jìn)行退火和時(shí)效處理。隨后將試件研磨至最終尺寸，以確保尺寸精度和試件更好的工藝性能。每種選定的材料都需要進(jìn)行不同的熱處理，如表1所示。

表1：每種選定材料的試件熱處理參數

機械處理

由于AM生產(chǎn)的試件在熱處理后沒(méi)有足夠精確的形狀，因此需要進(jìn)行機械后處理，即研磨，以確保測試所需的精確幾何形狀。這樣，在進(jìn)行永久動(dòng)態(tài)強度試驗時(shí)，得到了準確的結果。所有試件均按實(shí)驗室常用試件的標準形狀和尺寸制造。

噴丸處理

試驗前的最后一道工序是噴丸。所選參數是根據實(shí)踐中每種特定類(lèi)型的常規基材的最常見(jiàn)參數經(jīng)驗確定的。為了確定最合適的方法，為每種試驗材料選擇了三種不同類(lèi)型的丸料和不同強度的噴丸方法：鋼丸ASH110、陶瓷丸Z150以及ASH110和Z150的雙重丸料組合。

表2:AlSi10Mg、MS1和Ti6Al4V樣品的噴丸參數

圖2：機器中樣品的噴丸處理

疲勞強度試驗

在實(shí)驗室用專(zhuān)用機器對未經(jīng)噴丸處理的五個(gè)樣品進(jìn)行疲勞強度試驗。其目的是確定在105次循環(huán)和大約70 Hz的頻率下達到試件斷裂點(diǎn)所需的載荷。確定參數后，又測試了五個(gè)具有相同參數的參考試件，這些參考試件也沒(méi)有進(jìn)行噴丸處理，并且這5個(gè)參考試件分別針對每種材料及噴丸處理總共進(jìn)行了60次測試。

疲勞強度試驗結果

如下圖所示，噴丸處理對試件的持久動(dòng)態(tài)強度有非常積極的影響。未經(jīng)噴丸處理的參考試件在平均105次循環(huán)中達到斷裂點(diǎn)，而經(jīng)噴丸處理的試件可經(jīng)受平均5105次循環(huán)，最多2106次循環(huán)。失效所需的循環(huán)次數取決于噴丸參數以及試件的基材。

圖3 AlSi10Mg樣品測試圖

圖4: Ti6Al4V樣品測試圖

圖5: MS1樣品測試圖

金相分析

金相分析的目的是檢查噴丸處理對試樣基材的影響，其結果最好反映在顯微硬度上。對測試持續動(dòng)態(tài)強度的同類(lèi)樣品進(jìn)行測量。

圖6：樣品顯微硬度測量圖像

圖7:  MS1樣品的HV顯微硬度測量及彈性模量圖示例

摘要

研究結果證實(shí)，噴丸處理對AM生產(chǎn)的零件的疲勞強度有顯著(zhù)的積極影響，而與基材無(wú)關(guān)。

對鈦合金Ti6Al4V的影響最大，壽命延長(cháng)了20倍。試驗結果本可以更好，但試驗人員在2×106次循環(huán)時(shí)停止了測試。由MS1鋼制成的樣品的壽命延長(cháng)了約15倍，最后由AlSi10Mg制成的樣品的壽命延長(cháng)了8-10倍。

結果表明，采用S110鋼丸進(jìn)行噴丸處理效果最好，其次是S110+Z150鋼丸和陶瓷丸的雙重丸料，最后是Z150陶瓷丸。AlSi10Mg試樣的結果偏差最大，其次是鋼試樣，而Ti6Al4V的所有噴丸測試方法都取得了很好的效果。

噴丸處理對材料顯微硬度的影響，正如金相分析所顯示的，并不顯著(zhù)。表面顯微硬度略有增加，可達200-300μm深。以S110+Z150雙噴丸效果最好，表現為彈性模量的提高。

噴丸處理顯著(zhù)提高了由AM過(guò)程產(chǎn)生的產(chǎn)品的機械性能、疲勞強度和抗腐蝕性，從而延長(cháng)了產(chǎn)品的使用壽命。

因此，制造商能夠優(yōu)化此類(lèi)產(chǎn)品的設計，減輕其重量，這最終意味著(zhù)更快和更具成本效益的生產(chǎn)過(guò)程，并在運行過(guò)程中顯著(zhù)節約能源。

如本研究所示，在設計階段牢記噴丸對所有采用增材制造生產(chǎn)的金屬零件都有很大意義。