喷丸工艺对7075铝合金板材表面性能的影响

doi:10.11902/1005.4537.2024.143

喷丸工艺对7075铝合金板材表面性能的影响

郑文涛^,¹, 陆飞雪¹, 都凯¹, 王志惠², 贾海龙²

1.沈阳工业大学材料科学与工程学院沈阳 110870

2.国网青海省电力公司电力科学研究院西宁 810000

Effect of Shot Peening on Surface Properties of 7075 Al-alloy Sheet

ZHENG Wentao^,¹, LU Feixue¹, DU Kai¹, WANG Zhihui², JIA Hailong²

1.School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China

2.Electric Power Research Institute, State Grid Qinghai Electric Power Company, Xining 810000, China

通讯作者: 郑文涛，E-mail：wenntaozheng@163.com，研究方向为有限元仿真应用技术、先进材料精密成形

收稿日期: 2024-05-06 修回日期: 2024-07-29

基金资助:

国家自然科学基金. 52305396

Corresponding authors: ZHENG Wentao, E-mail:wenntaozheng@163.com

Received: 2024-05-06 Revised: 2024-07-29

作者简介 About authors

郑文涛，男，1980年生，博士，副教授

摘要

为揭示具有低粗糙度、高硬度且耐蚀喷丸表面的形成机制并指导喷丸工艺优化，对7075铝合金开展了不同喷丸工艺的实验研究，喷丸前后试样的组织观察、表面粗糙度测试及耐蚀性分析。结果表明：喷丸使材料表面产生晶粒细化和加工硬化，粗糙度和硬度随弹丸直径和压力的增加而增大；随覆盖率的增加，硬度增大，粗糙度先升后降，弹丸直径0.1 mm、压力0.3 MPa时，覆盖率300%时可使硬度达到220.7 HV，200%时粗糙度达到最小值0.623 μm；相比一次喷丸，二次喷丸明显降低粗糙度并轻微增强加工硬化，粗糙度从4.131 μm降到2.232 μm，硬度从223 HV轻微增加到227 HV，腐蚀电位从原始的-0.7276 V增至-0.6816 V，二次喷丸明显改善了耐蚀性。

关键词： 7075铝合金 ; 喷丸 ; 二次喷丸 ; 表面粗糙度 ; 电化学腐蚀

Abstract

7075 Al-alloy plates of 6 mm in thickness were subjected to shot peening treatments with varying parameters. Then the effect of shot peening on the microstructure, surface-roughness and -hardness as well as corrosion performance was assessed, aiming in optimization of the shot pinning processes. The results indicated that shot peening led to grain refinement and work hardening of the shot peened surface. Both the roughness and hardness increased with the increase of the ball diameter and the injection pressure. As the repetition rate of shot peening area increased from 100% to 300%, the hardness increased, while the roughness rose firstly and then decreased. When the ball diameter was 0.1 mm and the injection pressure was 0.3 MPa, the hardness reached 220.7 HV with the repetition rate of 300%, while the roughness reached a minimum value of 0.623 μm with the repetition rate of 200%. In comparison with the single shot peening, the double shot peening may result in significant reduction in surface roughness from 4.131 μm to 2.232 μm, but in slight increment in hardness from 223 HV to 227 HV. Besides, the corrosion potential increased from -0.7276 V for the alloy before shot pinning to -0.6816 V for the alloy after twice shot pinning, indicating that the double peening can significantly enhance the corrosion resistance of the 7075 Al-alloy.

Keywords： 7075 Al-alloy ; shot peening ; dual shot peening ; surface roughness ; electrochemical corrosion

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本文引用格式

郑文涛, 陆飞雪, 都凯, 王志惠, 贾海龙. 喷丸工艺对7075铝合金板材表面性能的影响. 中国腐蚀与防护学报[J], 2025, 45(3): 765-772 DOI:10.11902/1005.4537.2024.143

ZHENG Wentao, LU Feixue, DU Kai, WANG Zhihui, JIA Hailong. Effect of Shot Peening on Surface Properties of 7075 Al-alloy Sheet. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2025, 45(3): 765-772 DOI:10.11902/1005.4537.2024.143

7075铝合金因强度高、密度低等特点主要应用于航空航天、汽车工业等领域的典型结构件^[1]。零件的磨损、腐蚀及断裂等失效通常发生在材料表面，因此，可借助适当的表面处理工艺来改善其综合性能。喷丸处理通过高速运动的弹丸流冲击材料表面，使表层因发生塑性变形而形成残余压应力场，进而影响材料综合性能^[2,3]。Mhaede^[4]研究表明，使用陶瓷丸喷丸对7075-T73铝合金的腐蚀疲劳性有一定提高。吴培松等^[5]研究表明喷丸后GH3535合金表面的残余应力层随压力的增大而增大，且在0.3~0.6 MPa范围内，压力的影响更敏感。但喷丸处理是强化与损伤并存的过程，除引入残余应力外，喷丸还会不可避免地提升材料表面粗糙度^[6,7]。材料的耐蚀性受表面粗糙度的影响，且粗糙度大的样品腐蚀速率更高^[8]。因此，合理的喷丸工艺参数组合对材料性能具有十分重要的影响^[9]。近年来，喷丸技术逐渐精细化，发展出了二次喷丸技术^[10]，保留一次喷丸残余应力的同时降低粗糙度，实现对表面性能的进一步改善。目前对铝合金表面二次喷丸的研究较少，开展关于二次喷丸的研究也具有重大现实意义。

本文主要研究不同弹丸直径、喷射压力、覆盖率等参数组合及二次喷丸技术对7075铝合金板材表面综合性能的影响。分析表面粗糙度、硬度的影响机制，并结合极化曲线和腐蚀产物的分析，评估二次喷丸对7075铝合金耐腐蚀性的影响。旨在为工程实践中喷丸工艺的优化提供参考。

1 实验方法

实验材料为6 mm厚的7075-T651铝合金，其化学成分(质量分数，%)为：Si 0.15、Fe 0.34、Cu 1.5、Mn 0.13、Mg 2.7、Cr 0.19、Zn 5.6、Ti 0.03、Al余量。喷丸处理前用400目砂纸逐级打磨至3000目，抛光后进行不同工艺参数喷丸处理。选取陶瓷丸作为弹丸介质，不同弹丸直径(0.04、0.1、0.4 mm)和不同喷射压力(0.3、0.4、0.5 MPa)组合进行100%覆盖率的喷丸。选取合适工艺，以100%覆盖率下喷丸时间的2倍作为200%覆盖率的喷丸时间，依次类推，进行不同覆盖率的研究。并采用更小直径的弹丸、更小压力实施二次喷丸强化。

使用OLS4100激光共聚焦显微镜观察喷丸后表面形貌、测量表面粗糙度。通过HV-1000维氏硬度计测量表面硬度，载荷大小为2.94 N，保压15 s。上述数据进行5次重复测试，取平均值，以保证数据准确性。通过金相显微镜观察喷丸前后试样截面的微观组织，选用XRD-7000S型X射线衍射分析仪(XRD)，靶材为Cu-Kα，2θ范围为30°~100°，扫描速率2 (°)/min，确定并分析样品中晶粒的点阵参数。使用CHI604E电化学工作站进行电化学腐蚀实验，电解液采用质量分数为3.5%的NaCl溶液，测试采用经典的三电极体系，将试样制成暴露面积为1 cm²的工作电极，铂丝(Pt)和饱和甘汞电极(SCE)分别作为对电极和参比电极，扫描速率10 mV/s，极化曲线扫描范围为-1.5~0 V。电化学腐蚀后采用S-3400N钨灯丝扫描电子显微镜(SEM)观察喷丸强化试样表面形貌，并结合设备配有的能谱仪(EDS)分析表面腐蚀产物。

2 结果及分析

2.1 表面粗糙度及硬度

表1为不同喷丸工艺参数对表面粗糙度和硬度的影响结果。原始试样表面粗糙度Ra为0.162 μm，硬度为155.3 HV，喷丸试样的粗糙度及硬度明显高于原始试样，硬度的增加说明材料表面发生了显著的加工硬化^[11]。随着弹丸直径及喷射压力的逐渐增加，粗糙度和硬度也逐渐增大。为探究覆盖率对喷丸效果的影响，选取粗糙度和硬度适中的4号喷丸试样，重复两次和三次，对应的覆盖率分别为200%和300%，记为试样10号和11号。

表1 喷丸工艺参数及处理样表面粗糙度和硬度

Table 1 Shot peening process parameters and surface roughness and hardness of treated Al-alloy samples

Sample	Projectile diameter / mm	Injection pressure / MPa	Coverage / %	Roughness / μm	Hardness / HV
0	0	0	0	0.162	155.3
1	0.04	0.3	100	0.243	181.5
2	0.04	0.4	100	0.623	187.3
3	0.04	0.5	100	0.784	191.0
4	0.1	0.3	100	1.299	191.5
5	0.1	0.4	100	1.746	205.2
6	0.1	0.5	100	1.878	210.8
7	0.4	0.3	100	2.382	206.2
8	0.4	0.4	100	4.080	216.4
9	0.4	0.5	100	4.131	223.0
10	0.1	0.3	200	0.623	217.2
11	0.1	0.3	300	0.842	220.7

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图1为不同覆盖率喷丸后试样表面形貌。结合表1，覆盖率为100%、200%、300%的试样表面粗糙度Ra分别为1.299、0.623和0.842 μm。100%覆盖率时，原始试样表面被弹痕覆盖导致粗糙度增加。覆盖率为200%时，新增弹丸的撞击使原本的弹痕凹坑相互连接，表面凸起区域高度降低，粗糙度最低。覆盖率增大到300%时，重新覆盖的弹丸堆叠在表面，凹坑加深，粗糙度略有升高^[12]。覆盖率为100%、200%和300%试样的硬度分别为191.5、217.2和220.7 HV，相比于原始试样分别增加了23.3%、39.6%和42.1%。可见随覆盖率的增加，硬度值明显增大。

图1

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图1 不同覆盖率喷丸强化后7075铝合金的表面形貌

Fig.1 Surface morphologies of 7075 Al-alloy after primary shot peening with the coverages of 100% (a1, a2), 200% (b1, b2) and 300% (c1, c2)

为进一步改善喷丸表面强化效果，保留一次喷丸产生的残余应力，同时降低粗糙度，采用二次喷丸处理。图2为二次喷丸前后的表面形貌。选取一次喷丸中加工硬化最佳，粗糙度最大的9号试样，二次喷丸参数为直径0.04 mm，压力0.3 MPa，两次喷丸的覆盖率总和为200%。

图2

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图2 二次喷丸强化前后7075铝合金的表面形貌

Fig.2 Surface morphologies of 7075 Al-alloy before (a1, a2) and after (b1, b2) dual shot peening

如图2所示，一次喷丸后材料表面产生大量弹痕，但二次喷丸因采用的弹丸直径更小、压力更低，相比一次喷丸，凹坑尺寸减小，原始弹坑被填平，表面高低起伏程度降低，粗糙度从4.131 μm降至2.232 μm，表明二次喷丸工艺可显著降低粗糙度。一次喷丸试样的显微硬度为220 HV，二次喷丸后试样的显微硬度为227.8 HV，二者均能带来硬度的提升，但相比一次喷丸，二次喷丸的硬度没有明显提高，这与Bao等^[13]的研究结果一致。尽管二次喷丸处理对硬度的影响不太显著，但它仍然可以对材料的表面粗糙度等产生一定影响。此外，二次喷丸处理也可以用于修正一次喷丸中存在的不足或缺陷，提高材料的整体性能。因此，在实际应用中，需要综合考虑二次喷丸处理对粗糙度、硬度以及其它性能指标的综合影响，以确定最佳的处理方案。

2.2 微观组织及XRD分析

7075铝合金经喷丸处理后表面发生塑性变形，产生加工硬化现象的同时改变了表层晶粒尺寸^[14]。图3为加工硬化效果最佳的9号试样截面组织，喷丸后表层晶粒形状和尺寸均发生改变，距表面约70 μm的塑性变形层内部分晶粒破碎导致晶界模糊，部分晶粒被挤压成细长条形。距表面越远，基材受弹丸碰撞强度越弱，晶粒变形量也随之减小。

图3

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图3 喷丸前后7075铝合金的金相显微组织

Fig.3 Metallographic microstructures of 7075 Al-alloy before (a) and after (b) primary shot peening

通过分析XRD谱中的衍射峰宽度，可以评估喷丸处理对晶粒尺寸的影响^[15]。未喷丸试样和9号喷丸试样的XRD谱如图4所示，通过与标准PDF卡片(PDF #04-0787)对比，没有新的衍射峰出现，喷丸前后试样表层没有发生相变。

图4

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图4 喷丸前后7075铝合金的XRD谱

Fig.4 XRD patterns of 7075 Al-alloy before and after primary shot peening (a) and local enlarged diagram of Fig.4a (b)

进一步放大Al (111)峰和Al (200)峰，喷丸后试样的XRD峰向高角度方向略微偏移，这可能是喷丸后产生的残余压应力所致^[16]。除此之外，相对于原始试样，喷丸处理导致衍射峰的宽化。晶粒尺寸对XRD谱中的半峰全宽(FWHM)有显著影响，晶粒尺寸较小或不均匀时，FWHM会增大^[17]。平均晶粒尺寸由下式^[18]计算：

β_{h}^{2} - β_{0}^{2} = \frac{λ}{D_{h} c o s θ} + {(4 ε t a n θ)}^{2}

(1)

其中，λ为入射线波长(m)，D_h为晶粒尺寸(nm)，θ为入射角(°)，ε为微观应变，β_h为FWHM(°)，β₀为仪器展宽(°)。经计算，未喷丸和9号喷丸试样的晶粒尺寸分别为338和264 nm。喷丸导致材料表面剧烈变形，产生显著的晶粒细化。

2.3 表面耐腐蚀性能

2.3.1 极化曲线

二次喷丸在保留一次喷丸残余应力的同时，降低了试样表面粗糙度，可能对耐蚀性产生积极作用。图5可见，喷丸前后试样的动电位极化曲线总体趋势基本相同，二次喷丸后曲线出现正移。如表2所示，从极化曲线的腐蚀电位来看，未喷丸、一次喷丸、二次喷丸试样的腐蚀电位分别为-0.7276、-0.7031和-0.6816 V。一次喷丸后腐蚀电位略有提升，可见粗糙度对耐腐蚀性的不利影响被表面残余压应力和加工硬化带来的正面效应平衡^[19]。二次喷丸进一步降低了粗糙度，腐蚀电位增大说明二次喷丸后试样有不易被腐蚀的倾向^[20]。从腐蚀电流密度来看，未喷丸、一次喷丸、二次喷丸试样的腐蚀电流密度分别为4.584 × 10^-4、3.443 × 10^-4和1.144 × 10^-4 A·cm^-2。腐蚀电流密度越低，腐蚀速率越慢，喷丸后耐蚀性得到了提高，尤其是二次喷丸，腐蚀电流密度明显降低，试样表面的腐蚀反应减缓，二次喷丸更好地改善了7075铝合金的耐蚀性。

图5

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图5 原始以及经过一次、二次喷丸处理的7075铝合金的极化曲线

Fig.5 Polarization curves of 7075 Al-alloy untreated and treated by primary and dual shot peening

表2 原始以及经过一次、二次喷丸处理的7075铝合金的极化曲线的拟合结果

Table 2 Fitting results of polarization curves of 7075 Al-alloy untreated and treated by primary and dual shot peening

Sample	E / V	I₀ / A·cm^-2
Untreated	-0.7276	4.584 × 10^-4
No.9	-0.7031	3.443 × 10^-4
Dual shot peening	-0.6816	1.144 × 10^-4

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2.3.2 电化学阻抗谱

图6为喷丸前后7075铝合金的Nyquist图。其中，二次喷丸试样由一个容抗弧组成，未喷丸试样和一次喷丸试样的Nyquist图由一个高频区容抗弧和一个低频区感抗弧组成，Nyquist图中高频容抗弧代表试样表面钝化膜的防护作用，容抗弧的半径越大，电荷转移越困难，试样耐蚀性越好^[21]。

图6

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图6 原始以及经过一次、二次喷丸处理的7075铝合金的Nyquist图

Fig.6 Nyquist plots of 7075 Al-alloy untreated and treated by primary and dual shot peening

结合后续腐蚀形貌的观察，认为低频感抗弧的出现与喷丸后表面的局部腐蚀有关。通常Al的表面存在一层薄的钝化膜，会阻止基材腐蚀，所以无论是未喷丸的原始试样还是喷丸后的试样，都有一定的防护能力。只是喷丸后容抗弧的半径增加，钝化膜更致密，表面稳定性有所提高，更不易被腐蚀。且二次喷丸时的半径最大，即极化电阻最大，更好地阻碍了腐蚀介质与基体接触，增大了电荷转移过程中的阻力，耐蚀性得到明显提升。

阻抗谱采取图7所示的等效电路进行拟合。喷丸后表面存在点腐蚀^[13]，点蚀可描述为电阻与电容的串联电路。其中，R_s代表溶液电阻，R_ct代表溶液/试样界面起传递电荷作用的电阻，R_L代表样品发生点蚀时产生的感抗阻值^[22]。等效电路中其余相关模型参数如表3所示。可以看出，喷丸后试样的R_ct值大于未喷丸的原始试样，且二次喷丸试样的R_ct值更大，表明喷丸后的晶粒细化层起到阻隔作用，细化的组织和残余应力抑制了粗糙度产生的不利影响，且二次喷丸产生的阻隔作用更强。此外，由于二次喷丸后粗糙度降低，粗糙度对耐蚀性带来的不利影响减弱，相应减少表面应力集中部位，降低表面点蚀倾向，总体表现出更好的耐蚀性，这和图6的Nyquist图展现出相同的规律。

图7

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图7 等效电路图

Fig.7 Equivalent circuit diagram

表3 EIS等效电路拟合结果

Table 3 Fitting results of EIS

Sample	R_s / Ω·cm²	CPE	n	R_ct / Ω·cm²	R_L / Ω·cm²	L / H
Untreated	3.511	1.147 × 10^-4	0.7786	460.2	69.34	12.87
No.9	3.616	7.274 × 10^-5	0.7254	889.4	844.6	1237
Dual shot peening	5.343	7.690 × 10^-5	0.6851	1593	1213.5	2321

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2.3.3 腐蚀产物分析

图8为电化学腐蚀后未喷丸和二次喷丸试样的表面形貌和表面腐蚀产物的EDS点扫分析。从腐蚀形貌来看，未喷丸样品经NaCl溶液腐蚀后表面出现部分体积稍大的颗粒腐蚀产物，使表面发生突起，部分突起表面甚至发生了龟裂。突起部分的EDS能谱分析结果显示，除了基体Al外，该处还含有O和Cl。O的出现表明试样表面在腐蚀过程中发生氧化，产生了钝化膜。在大气、水等中性、弱酸性的环境中，这层钝化膜的缺陷处因电势差会发生局部电化学腐蚀。阳极发生反应如式(2)所示，反应溶解形成Al³⁺，阴极发生吸氧反应如式(3)，浓度不断增加的Al³⁺及OH^-会持续进行水解反应，形成非晶态水化氧化物Al₂O₃·nH₂O，最终转化为Al(OH)₃。Cl的出现说明Cl^-已经开始对表面钝化膜缺损或不完整的部位进行渗透反应，导致钝化膜的防护性能逐渐衰减甚至溶解，生成的氧化物相对基体较为松散，将基体表面撑起从而导致局部龟裂。

图8

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图8 电化学腐蚀后未喷丸和二次喷丸样品的表面形貌及腐蚀产物EDS分析结果

Fig.8 Surface morphologies (a1, b1) and EDS analysis results (b1, b2) of 7075 Al-alloy without (a1, a2) and with (b1, b2) dual shot peening after electrochemical corrosion

A l \to A l^{3 +} + 3 e^{-}

(2)

2 H_{2} O + O_{2} + 4 e^{-} \to 4 O H^{-}

(3)

相对于未喷丸试样，二次喷丸试样的腐蚀产物分布小且密集，没有明显的局部腐蚀区域，未出现大尺寸腐蚀物颗粒，腐蚀产物体积明显小于未喷丸试样，该现象说明喷丸可以有效减缓或阻止试样严重腐蚀的产生。结合EDS能谱分析可知，此处O含量明显增多，喷丸后表层晶粒被细化，表层结构有较高的化学活性，电化学腐蚀过程中更易发生氧化，形成致密、均匀的氧化膜，更多的氧化产物在表面富集。这与Lv等^[23]的报道相符。

3 结论

(1) 7075铝合金表面的粗糙度和硬度随弹丸直径和压力的增加而增大，喷丸导致材料表面发生明显塑性变形和加工硬化。

(2) 弹丸直径0.1 mm、压力0.3 MPa时，硬度随着覆盖率的增加而增大，粗糙度先升后降，300%的覆盖率可使硬度达到220.7 HV，覆盖率为200%时粗糙度最小，为0.623 μm。

(3) 二次喷丸明显降低粗糙度并轻微增大表面硬度，与弹丸直径0.4 mm、压力0.5 MPa的一次喷丸试样相比，进行弹丸直径0.1 mm、压力0.3 MPa的二次喷丸，粗糙度从4.131 μm降到2.232 μm，硬度从220 HV增加到227 HV。二次喷丸改善了耐蚀性，腐蚀电位从原始的-0.7276 V增至-0.6816 V，腐蚀电流密度明显降低。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

Dursun

, Soutis

Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys

[J]. Mater. Des., 2014, 56: 862