復合噴丸是在普通噴丸的基礎上，采用尺寸較小的彈丸或較小的噴丸強度，對材料表面進行再次噴丸的一種表面處理方式，兩次噴丸覆蓋率均大于100％。復合噴丸可有效改善噴丸均勻性、消除表面應力集中和降低表面粗糙度。
本文對粉末冶金法制備的鋁－銅－鎂合金材料進行復合噴丸處理，然后對材料表面進行了一系列檢驗及分析。
１ 試驗材料及試驗方法
1.1試驗材料
試驗使用某金屬基復合材料國家重點試驗室采用粉末冶 金 法 制 備 的 鋁－銅－鎂 鋁合金 材 料，試樣尺寸為60ｍｍ×15ｍｍ×3ｍｍ，化學成分中鋁元素含量為95％（質量分數，下同），銅元素含量為4％，鎂元素含量為1％，為消除應力，試樣需經退火處理，試樣表面為精密機加工狀 態，其表面粗糙度Ｒａ為０.7μｍ，對試樣的上表面進行復合噴丸處理，如圖１所示。噴丸所用彈丸為S110型φ0.3ｍｍ 的鑄鋼丸和Ｚ210型0.15ｍｍ 的陶瓷丸。
1.2 試驗方法
先用S110型鑄鋼丸對試樣表面進行噴丸強度為0.54 ｍｍ 的噴丸處理，后用Z210型陶瓷丸對試樣表面進行噴丸強度為0.42ｍｍ的噴丸處理。復合噴丸處理后用SpinningDiskConfocal（轉盤式共聚焦）顯微鏡觀察試樣表面形貌，測量試樣表面550μｍ 長度內的表面粗糙度，由系統自動繪制表面粗糙度曲線并計算得到表面粗糙度Ra 和Rz。用自動拋光機對試樣表面進行電化學腐蝕剝層，工作電壓為15V，工作電流為3.5ｍA，并采用千分尺確定剝層層深。利用X射線應力分析儀測量噴丸處理后試樣的殘余應力，儀器管電壓為30kV，管電流為20ｍA，采用鉻靶Ｋα輻射，釩濾波片，準直管直徑為１ｍｍ，雙512通道位敏探測器，對應衍射角２θ范圍均為20°，ψ（衍射晶面方位角）為±45°，內優化設置15站，衍射幾何方式為同傾衍射。采用日本理學Ultima Ⅳ型X射線衍射儀得到試樣的 Ｘ 射線衍射譜，其工作電 壓 為 40kV，工 作 電 流 為 30ｍA。然后采用Voigt單峰擬合方法對衍射譜進行分析，提取最強衍射峰［(100)晶面衍射峰］的半峰寬，并分析其沿層深的變化。采用 DHV－1000型顯微硬度計測量對應復合噴丸層顯微硬度及其沿材料層深的分布，所施加的載荷為0.98Ｎ，在同一層深重復測量3次，最后取平均值。
2試驗結果
2.1表面形貌
復合噴丸后試樣表面３D形貌和偽色視圖如圖２和圖３所示。由圖２和圖３可見，噴丸處理后試樣表面凹坑尺寸為50～1500μｍ，整體較為細密、平整，表面質量較高。噴丸過程中會有大量彈丸高速沖擊試樣表面，其中一部分動能被試樣表面吸收，轉變為形變勢能，從而使試樣表面產生彈塑性變形，并在試樣表面留下大量大小不一的彈坑。復合噴丸是在普通噴丸的基礎上用較小粒徑的陶瓷彈丸對試樣表面再一次進行噴丸處理。較小尺寸的彈丸多次錘擊試樣表面，使表面原有凹坑變得平坦，隨著沖擊不斷進行，大凹坑逐漸不再明顯，變為小彈丸沖擊留下的小凹坑，從而使試樣表面更為細密、平整。因試樣表面塑性變形增大，由于內部材料牽制而引入的殘余應力增大，塑性變形引入的位錯增多，導致晶粒細化和出現更多的亞晶粒，這正是復合噴丸能進一步提升材料表面性能的原因。
2.2表面粗糙度
材料表面粗糙度是影響材料表面性能的重要參數，一般情況下，過高的表面粗糙度會降低材料的疲勞強度，還會增加腐蝕和開裂的幾率，對其應用產生不利影響，因此可采用復合噴丸的方式優化噴丸工藝參數，提高材料的表面性能。復合噴丸處理后試樣表面550μｍ長度內的表面粗糙度曲線如圖4所示。由軟件計算得到的試樣表面粗糙度Ra為2.97μｍ，Rz為1266μｍ，可見其表面質量較好。
2.3殘余應力
噴丸處理前后試樣的殘余應力沿深度分布如圖5所示，可見復合噴丸后試樣表面引入較深的殘余壓應力場，且在距表面300μｍ內均為殘余壓應力，因此能夠對試樣表面產生明顯的強化效果。試樣表面的殘余壓應力為114Mpa，最大殘余壓應力出現在層深50μｍ 處，為306Mpa，已接近材料的屈服強度，在距表面20μｍ時，殘余壓應力仍為100Mpa，說明復合噴丸引入的殘余壓應力場分布較深、程度較大。未噴丸處理的試樣表面存在較低水平的殘余壓應力，主要是機加工所致，但其沿材料層深分布的較淺，對材料的表面性能不會產生明顯的影響，總體表現為退火后的零應力狀態。
2.4Ｘ射線衍射半峰寬
圖6為噴丸處理前后試樣表面的Ｘ射線衍射(XRD)譜，可見噴丸處理前試樣中存在一定量的(200)晶面方向的擇優取向，復合噴丸處理后擇優取向消失，使材料的性能更穩定、均勻。同時復合噴丸處理后，晶粒細化，亞晶界、小角度晶界等增多，使衍射晶面發生細微變化，整體表現為Ｘ射線衍射峰寬化?？赏ㄟ^Ｘ射線衍射半峰寬來反映材料的變形情況，噴丸強度越高，材料表層應變越大，塑性變形帶來的位錯越多，使晶粒不斷變形最終變為細晶或亞晶粒。復合噴丸處理前后試樣的衍射半峰寬沿深度分布如圖7所示?？梢姀秃蠂娡杼幚韺е略嚇颖砻嫜苌浒敕鍖拰捇?，最大為0.275°，且隨層深的增加而逐漸減小，最終減小到基體未變形區域的0.12°。未噴丸處理試樣表面的衍射半峰寬也有較小幅度增大，主要是機械加工引起表面塑性變形所致，但其影響深度較淺，層深為25μｍ 時半峰寬即縮小為基體的0.12°，基本不會對表面性能產生影響。
2.5 顯微硬度
復合噴丸處理前后試樣的顯微硬度沿深度分布如圖8所示，可見試樣表面的塑性變形最劇烈，硬度增大的最多，顯微硬度達到180.8HV，比基體的120HV增加了50％，強化效果非常明顯。隨著層深的增大，塑性變形逐漸減小，硬度逐漸降低，層深大于200μｍ 時，強化效果已不明顯，該均勻分布的硬度變化有利于提高試樣表面性能的均勻性。未噴丸處理試樣的表面硬度為147.7HV，相較基體也有所提升，但硬度增加量小于25μｍ，對材料整體力學性能的提高有限?？梢娪捎趶秃蠂娡杼幚砗笤嚇颖砻姘l生嚴重的塑性變形、組織細化、畸變增多，且引入殘余壓應力，進一步起到強化的作用，因此在宏觀上表現為顯微硬度的增加。
3 結論
（１）鋁－銅－鎂合金試樣經復合噴丸處理后表面粗糙度變化不大，由0.7μｍ 增加到2.97μｍ，試樣表面整體細密、均勻，完整性較高，表面質量較好，基本能夠避免噴丸導致粗糙度增加而引起的不利影響。
（２）鋁－銅－鎂合金試樣經復合噴丸處理后引入較深的殘余壓應力場，最大殘余壓應力為306Mpa，且壓應力場整體分布均勻，能夠起到很好的強化效果。
（３）鋁－銅－鎂合金試樣經復合噴丸處理后表面衍射半峰寬增大，為0.275°；表面顯微硬度增 大，為180.8HV，比基體的硬度120HV增加了50％。