锆合金喷丸实例成果揭示

高玉魁实验室曾对Zr-4锆合金包壳管进行不同工艺的喷丸处理，利用X射线衍射仪和电解抛光仪来测量喷丸处理后的应力梯度。在大量的实验数据基础上，分析得到不同喷丸工艺所对应的表面残余压应力数值、最大残余压应力数值及其对应深度、压应力影响层深度等特征值，对比分析这些特征值与喷丸工艺参数之间的关系，为最终确定最佳的喷丸工艺提供实验依据。

为了探索最佳喷丸工艺参数，对锆合金包壳管分别采用9种不同的喷丸工艺，如表5-8所示，包壳管总长为270 mm，直径约为10 mm，喷丸前壁厚约为0.57 mm。将包壳管分成9份，每份长度为30 mm，将其编号1～9号，分别对应的喷丸工艺见表5-8。其中，1号试样为不喷丸试样；8号和9号的弹丸直径为0.50～1.00 mm，其他以0.6 mm为主。为保证喷丸处理后包壳管的残余应力分布均匀，对2～9号喷丸实验均采取200%覆盖率。

表5-8　不同喷丸处理的工艺参数

由于锆合金耐腐蚀，以NaCl饱和溶液作为腐蚀液的腐蚀效果不佳，所以腐蚀过程中采用进口腐蚀液，使腐蚀效率大大提高。腐蚀过程中的难点在于腐蚀时间和腐蚀深度的关系并不是简单的线性关系，主要原因有以下三点：①由于锆合金包壳管在常温条件下会在表面产生一层薄薄的氧化膜，这种氧化膜会提高锆合金的抗腐蚀性能，所以表层和内部的腐蚀时间会不同；②由高玉魁等的研究［25］可以知道，喷丸后的晶粒会细化，而晶粒的细化程度随深度不同而不同，细化后的晶粒对抗腐蚀性能也有一定的影响；③喷丸后，试样的残余应力随深度不同而不同，而试样中压应力的大小对腐蚀速率也有一定的影响。采用X射线衍射仪测量残余应力。

对9组不同工艺的锆合金试样进行残余应力的测试，每种工艺大约测试15个点，每个点分别测试沿锆合金包壳管轴向和切向两个方向上的应力。1～9号喷丸工艺所对应的表面残余应力、最大残余应力及其深度和压应力影响层见表5-9。

表5-9　不同喷丸处理的残余应力

（续表）

从表5-9可以看出，1号工艺对应未喷丸处理，其表面轴向、切向残余应力分别为－277 MPa和－250 MPa，最大应力在最外表层，其压应力影响层为10μm，包壳管最后需要进行外表面抛光、内表面喷砂操作，所以可能存在残余压应力，使材料表面还存在较薄的压应力层。从表5-9中还可以看出，未喷丸处理（工艺1）和其他各种不同喷丸工艺（工艺2、9）相比，压应力影响层更薄，这在轴向和切向都有此规律。(www.xing528.com)

此外，对比工艺1～9号表面残余应力可以发现：在沿锆合金包壳管轴向方向上，2～8号工艺表面的残余应力都比未喷丸表面的残余应力大，达到了喷丸工艺的效果，只有9号工艺对应的表面残余应力比未喷丸的小。从表5-8中可以看出，9号对应的喷丸工艺为铸钢丸（型号S230），喷丸强度为0.40 mm A，比其他的喷丸强度大，但是其表面的残余压应力反而更小。这是由于喷丸强度过大，使试样表面产生了微裂纹，能量被释放掉，所以导致表面的残余压应力比未喷丸的小。在切向方向上这种现象不明显，切向的表面残余应力约为－250 MPa，最大的切向残余应力为6号工艺对应的－357 MPa，最小的仍然是9号工艺对应的－186 MPa。

对于工艺2～9号的最大残余应力，无论轴向还是切向，都比未喷丸（工艺1号）的大，而且最大的残余应力不在最外层，而是在一定的深度处，这个深度受喷丸强度和弹丸直径的影响，喷丸处理后的压应力影响层明显变厚。对于较低强度的喷丸工艺2～4号，喷丸强度分别为0.18 mmN、0.18 mmN、0.30 mmN，压应力影响层厚度分别为350μm、430μm、420μm。对于强度较高的喷丸工艺5～9号（喷丸强度达到0.15 mmA以上），压应力影响层厚度达到或超过460μm，几乎达到了喷丸后整个包壳管的壁厚（500μm左右），而喷丸之前的壁厚为570μm，可见经喷丸处理后的锆合金壁厚减小70μm左右，会给包壳管的装配带来影响，所以喷丸处理前应该预留出此裕量。

在相同喷丸工艺处理下，沿包壳管轴向和切向的残余应力大小有所不同，但数值相差不大且变化趋势大致相同。

对比工艺2和工艺3，在相同喷丸强度（即弹丸直径平均值相同）的条件下，研究弹丸材料对锆合金喷丸工艺的影响。工艺2和工艺3的表面压应力和最大压应力相近，表面轴向压应力分别为－341 MPa和－387 MPa，表面切向压应力分别为－256 MPa和－260 MPa，轴向最大残余应力分别为－381 MPa和－417 MPa，切向最大残余应力分别为－417 MPa和－476 MPa。玻璃丸和不锈钢丸对应的压应力影响层分别为350μm和430μm，后者比前者厚80μm。

对比工艺5和工艺7，在相同喷丸强度和相同弹丸材料条件下，研究弹丸直径对锆合金喷丸工艺的影响。在锆合金包壳管轴向方向上，工艺5（直径0.36 mm）和工艺7（直径0.51 mm）的表面残余应力分别为－305 MPa和－320 MPa，最大残余应力分别为－518 MPa和－531 MPa，可见相同喷丸强度和相同弹丸材料下，改变弹丸直径对锆合金表面轴向残余应力和轴向最大残余应力的大小影响不大。工艺5和工艺7对应的轴向最大应力的深度分别为190μm和110μm，可见直径更小的弹丸对应的轴向最大残余应力位置更深。在包壳管切向方向上，改变弹丸直径对锆合金表面切向残余应力和切向最大残余应力的大小影响不大，与轴向的规律相同，工艺5和工艺7对应的切向最大应力的深度分别为20μm和60μm，可见直径更大的弹丸对应的切向最大残余应力位置更深，这个规律与轴向正好相反。

对比工艺6和工艺7，在相同弹丸直径和相同弹丸材料的条件下，研究喷丸强度对锆合金喷丸工艺的影响。在锆合金包壳管轴向方向上，工艺6（喷丸强度为0.20 mmA）和工艺7（喷丸强度为0.15 mmA）的表面残余应力分别为－475 MPa和－320 MPa，最大残余应力分别为－547 MPa和－531 MPa；在锆合金包壳管切向方向上，工艺6和工艺7的表面残余应力分别为－357 MPa和－201 MPa，最大残余应力分别为－425 MPa和－369 MPa。由此可见，随着锆合金喷丸强度的增加（没有出现过喷），表面两个方向上的残余应力都有增加，两个方向上的最大残余应力也有所增加。