表面处理会影响钛合金的疲劳强度吗？如何进行控制？

从材料工程与设计角度来看，表面处理对钛合金的疲劳强度具有显著且双向的影响。这在航空航天、医疗植入体等高可靠性应用中尤为关键。疲劳失效通常起源于表面，因此任何改变表面状态、残余应力或材料特性的工艺都会直接影响疲劳性能。

表面处理对疲劳强度的影响机制

负面影响（疲劳强度下降）

• 应力集中效应： 诸如钛阳极氧化和电镀等工艺，会在表面形成脆性的陶瓷层并伴随微裂纹或粗糙形貌。这些微缺陷成为疲劳裂纹的萌生点，可使高周疲劳强度下降10–30%。

• 氢脆问题： 某些电化学处理（如部分阳极氧化或电镀液）会使氢原子渗入钛基体，引发氢脆，降低断裂韧性并加速裂纹扩展。对钛CNC精密零件而言，这在循环载荷下尤其危险。

• 微观组织损伤： 不当的喷砂或研磨会导致表层塑性变形，形成微切口并改变近表层显微组织，从而降低材料的抗疲劳能力。

正面影响（疲劳强度提升）

• 引入压应力层： 这是提升疲劳强度最有效的方式。喷丸处理与激光喷丸通过局部塑性变形在表层形成深层压应力层，使外加载荷需先克服压应力才能启动裂纹，可使疲劳寿命提升100%以上。

• 表面平滑化与缺陷去除： 电解抛光与机械抛光能去除CNC加工残留的划痕与应力集中源，提供更光滑的表面，延缓裂纹萌生。

控制影响的最佳实践

要最大化正面效应并减少负面影响，需在设计、工艺与制造各环节协同控制。

1. 工艺选择与规范制定：

   • 对疲劳敏感件，应将喷丸作为基础强化工艺，严格按照AMS 2432等标准控制介质类型、强度与覆盖率。

   • 若必须进行阳极氧化以提升耐腐或耐磨性，应选择薄且可控的氧化层，并在喷丸之后进行。确保喷丸形成的压应力层不被高电压阳极氧化破坏。

2. 工艺参数控制：

   • 阳极氧化： 使用低电压以生成更薄、更具延展性的氧化膜，严格控制电解液化学成分与温度以减少氢吸收。

   • 喷丸处理： 控制Almen强度，确保压应力深度达到设计要求且不产生过度粗糙。

3. 工序顺序优化： 对疲劳关键部件的最佳工艺顺序为：

   1. 最终精密加工（保持良好表面质量）

   2. 应力消除热处理（如需要）

   3. 喷丸强化（引入压应力层）

   4. 低影响表面处理（如薄层阳极氧化或钝化）

4. 后处理验证：

   • 对与生产件同批次处理的试样进行弯曲疲劳测试或寿命试验，以验证表面处理质量。

   • 通过X射线衍射（XRD）检测喷丸后的压应力层深度与分布。

5. 面向制造的设计： 在原型加工阶段与制造方密切协作，避免尖角，采用适当圆角过渡，以与喷丸工艺形成良性协同，避免局部应力集中。