通过空化水射流喷丸（Cavitation Water Jet Peening, CWJP）提升铝合金铸件疲劳寿命：实验与模拟

《Journal of Materials Research and Technology》：Enhancing Fatigue Life of Aluminum Alloy Castings Through Cavitation Water Jet Peening: Experiments and Simulations

　　

本研究介绍了一种通过应用空化水射流喷丸（CWJP）来增强铝铸件疲劳寿命的研究。CWJP利用水空化（cavitation）的冲击作用在金属材料中引入表面压缩残余应力。在这项工作中，研究人员将CWJP应用于三种不同水射流横移速度下的高压压铸（HPDC）Al-Si合金A380。在四点弯曲配置（应力比 R = 0.1）中评估的疲劳寿命改善随施加应力水平的不同而变化，范围为母合金的1.6至10倍。数据还显示，降低横移速度会导致表层内产生更大的压缩残余应力，同时表面粗糙度随之增加。如厚度方向残余应力和显微硬度测量所证实，该残余应力层延伸至表面以下400 μm的深度。CWJP处理有效地延缓了疲劳裂纹扩展，显微组织观察中较窄的条纹间距证明了这一点。模拟揭示，除CWJP期间表面硬化外，压缩残余应力也是改善疲劳寿命的关键。CWJP工艺施加的20%表面硬度增加和150 MPa压缩残余应力在不同应力水平下提供了平均5倍的疲劳寿命增强。本研究证明了CWJP作为一种有效表面处理方法来增强铝铸件（例如用于汽车应用的HPDC部件）疲劳寿命的潜力。

论文解读：空化水射流喷丸（CWJP）对高压压铸（HPDC）A380铝合金疲劳性能的提升机制研究

研究背景与意义：

高压压铸（High Pressure Die Casting, HPDC）是生产近净形铝合金铸件的高效制造方法，广泛应用于汽车工业的结构轻量化部件（如减震塔、空间框架等）。其中，A380（Al-Si-Cu系）因其高Fe含量带来的高铸造流动性及低成本，成为常用的通用HPDC铝合金。然而，较高的Fe含量会形成有害的金属间化合物，加之铸件固有的收缩气孔和气体孔隙，导致HPDC A380合金的疲劳性能受限，尤其在循环载荷下易发生失效，这制约了其在高可靠性结构件中的广泛应用。虽然传统的表面改性技术（如喷丸（Shot Peening）、激光冲击喷丸（Laser Shock Peening））可通过引入压缩残余应力提升疲劳抗性，但针对缺陷敏感、具有显著厚度方向非均质性的HPDC铸造铝合金，尤其是空化水射流喷丸（Cavitation Water Jet Peening, CWJP）这一无丸、环保型表面处理技术的研究尚不充分。因此，研究人员开展了本项实验与模拟结合的研究，以探究CWJP对HPDC A380铝合金疲劳寿命的增强效果及微观机理，相关成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

主要关键技术方法：

研究人员选用3.5 mm厚的高压力压铸（HPDC）A380铝合金板材作为基材（Base Material, BM）。使用Sugino Corporation的CWJP-15065F设备在固定水压力（50 MPa）和靶距（65 mm）下，采用三种不同的水射流横移速度（CWJP-A: 4500 mm/min、CWJP-B: 3000 mm/min、CWJP-C: 1500 mm/min）对试样双面进行处理。通过3D光学显微镜表征表面形貌与粗糙度（Sa, Sq）；采用显微硬度计测试横截面硬度分布；利用基于孔钻法的Stresstech Prism 3系统测量沿厚度方向的残余应力分布。疲劳性能测试采用四点弯曲（4-point bending）载荷配置（应力比 R = 0.1），在最大名义弯曲拉应力200、225、250 MPa下进行力控疲劳实验，并以1.5×10⁶次循环作为截止条件。此外，研究人员进行了起停（start-stop）疲劳测试并结合光学显微镜及SEM/EDS（扫描电镜/能谱）断口分析以追踪裂纹萌生与扩展；最后，建立了基于ABAQUS的3D有限元（Finite Element, FE）模型，采用特征应变重构法（Eigenstrain Reconstruction Method）耦合实验测得的残余应力与硬度梯度，模拟了疲劳循环下的应力演化及残余应力松弛行为，并应用Walker平均应力修正公式计算有效应力幅。

研究结果：

3.1 显微组织（Microstructure）：

HPDC A380合金呈现典型的厚度方向非均质性，即靠近模具壁（die-wall）区域因快速凝固具有细小的α-Al枝晶、“表皮效应（skin-effect）”及低孔隙率（约0.5 vol.%），而中壁（mid-wall）区域枝晶粗大、孔隙率显著增加（约2.1 vol.%）且含有多种第二相粒子（如含Fe-Mn相、Cu/Mg相）。这种组织差异导致未处理态下表面硬度（约107 HV）高于心部（约89 HV）。

3.2 CWJP对表面形貌和粗糙度的影响（Effect of CWJP on surface topography and roughness）：

CWJP处理后在表面形成了随机分布的冲击凹坑。随着横移速度降低（从CWJP-A到CWJP-C），单位面积承受的空化冲击事件密度增加，导致算术平均高度（Sa）和均方根高度（Sq）粗糙度线性增加（相较于未处理表面分别最高增加约42%和54%），且凹坑更深、峰谷差更大。

3.3 CWJP对硬度分布的影响（Effect of CWJP on hardness profile）：

CWJP处理引起了近表面加工硬化。未处理样品硬度从边缘的107 HV降至中心的89 HV；而CWJP-C条件（1500 mm/min）使表面硬度提升至128 HV（提升约20%），且硬化层贯穿整个厚度（从两侧各约700 μm以上，甚至整体贯通）；CWJP-A和B仅使表面硬度轻微提升（约7%和6%），硬化层深度约700 μm。硬度提升归因于空化气泡溃灭冲击引发的局部塑性变形及位错密度增加。

3.4 CWJP对残余应力分布的影响（Effect of CWJP on residual stress distribution）：

未处理样品沿厚度方向残余应力可忽略不计。CWJP处理在表面引入了显著的压缩残余应力，且具双轴性（遍历方向σ_xx和宽度方向σ_yy均为压应力）。横移速度越慢，表面压缩残余应力越大：CWJP-A、B分别为93 MPa和94 MPa，CWJP-C达到146 MPa（σ_xx），σ_yy略低约30 MPa。压缩残余应力层影响深度约为400 μm，归因于低横移速度下单位面积空化冲击次数增加。

3.5 CWJP及循环载荷对表面应力的影响（Effect of CWJP and cyclic loading on surface stresses）：

有限元模拟显示，在初始疲劳加载周期中会发生局部塑性变形，导致CWJP引入的初始压缩残余应力发生松弛。经过3-4个循环后塑性应变增量趋于稳定，应力状态稳定。尽管有松弛，CWJP-C样品在受拉表面的平均应力仍显著降低（接近0 MPa），而基材（BM）约为67.5 MPa。这导致CWJP-C的有效应力幅（Effective stress amplitude，经Walker修正）在低载荷下降至84.8 MPa（BM为121.5 MPa）。单独去除残余应力或硬度的模拟表明，压缩残余应力和硬度增加具有协同效应，共同降低有效应力幅。

3.6 CWJP对疲劳性能的影响（Effect of CWJP on fatigue properties）：

四点弯曲疲劳测试表明，CWJP-C样品在200、225、250 MPa应力水平下，疲劳寿命分别为未处理基材的3.4-4.4倍、1.6-10倍和2-3.6倍，部分样品在200和225 MPa下通过1.5×10⁶次未失效。而CWJP-A和B未能明显改善疲劳寿命。断口分析显示，未处理样品的II阶段疲劳裂纹扩展条纹间距约为438 nm，而CWJP-C样品仅为约82 nm，证明CWJP显著减缓了裂纹扩展速率。

3.7 裂纹萌生与扩展研究（Study of crack initiation and growth）：

起停疲劳测试及显微观察表明，未处理基材与CWJP-C样品的裂纹均主要萌生于铸造孔隙或含Fe-Mn相附近，萌生周期相似。这说明CWJP并未改变裂纹萌生位置或显著延迟萌生，疲劳寿命的提升主要源于CWJP对裂纹扩展的抑制（较窄的条纹间距及较慢的二次裂纹扩展观测）。

讨论与结论总结：

研究人员在讨论中指出，HPDC A380合金因“表皮效应”本身具有较强表面层，CWJP进一步在该表层引入压缩残余应力并增加表面硬度（加工硬化），二者协同作用降低了疲劳加载时的有效应力幅，从而抑制裂纹扩展。虽然CWJP增加了表面粗糙度（可能促进裂纹萌生），但在本实验参数范围内，尤其当横移速度降至1500 mm/min（CWJP-C）时，压缩残余应力（可达146 MPa）和硬度提升（20%）的有利影响远超粗糙度增加的不利影响，因而大幅提升疲劳寿命。对于较快横移速度（CWJP-A、B），引入的残余应力和硬化不足，被粗糙度增加抵消，故无明显疲劳改善。模拟结果表明，即便初始残余应力在循环载荷下发生早期松弛，剩余应力仍足以降低有效应力幅。此外，在高应力水平下，疲劳寿命提升幅度不能完全仅由有效应力幅降低解释，表明表面硬化（提升屈服强度等）亦发挥重要作用。

结论如下：

1. 1.
   采用最慢横移速度（1500 mm/min, CWJP-C）的CWJP处理，使HPDC A380合金在R=0.1的四点弯曲疲劳测试中寿命提升1.6至10倍，尽管表面粗糙度有所增加。
2. 2.
   尽管在大弯曲疲劳载荷下发生了残余应力松弛，剩余的压缩残余应力仍足以降低有效循环应力幅，结合慢速CWJP带来的显著表面硬化，共同促成疲劳寿命提升。
3. 3.
   疲劳条纹间距及起停测试表明，疲劳寿命提升主要源于裂纹扩展减缓，而非裂纹萌生延迟。
4. 4.
   降低水射流横移速度会增加表面粗糙度、显微硬度和表面压缩残余应力；给定条件下，仅最慢速度（1500 mm/min）提升了疲劳寿命，较快速度则无提升。这归因于低速度下驻留时间增加，单位面积空化冲击密度增大，促进了更大的塑性变形、残余应力发展及加工硬化。
   综上，该研究证明了CWJP作为一种有效的表面处理技术，可显著提升HPDC铝合金铸件（如汽车结构件）的疲劳性能。