大量研究表明,在航空航天领域服役的结构材料,疲劳断裂是其失效的主要形式之一,占到70%以上,而对材料表面进行表面处理,是提高其疲劳寿命的有效措施之一。SiC颗粒增强铝基复合材料作为一种广泛应用于航空航天领域的结构材料,国内外学者对其进行了大量研究,主要集中在材料组分、制备方法与工艺、塑性变形和热处理等方面,而对表面处理方面的研究还不够充分。因此,本文以提高15%SiCp/2009A1复合材料疲劳寿命为目标,开展喷砂处理、振动研磨处理、喷丸处理三种表面处理工艺对材料性能影响的实验,探究其机理并得到最优工艺。本文针对喷砂工艺,调整不同的喷砂目数(40目、60目、80目)、喷砂压力(0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa)对试样表面进行喷砂处理。针对振动研磨工艺,使用不同的研磨磨料形状(球形、斜圆柱)、研磨时间(10min、20min、30min、40min、50min、1h、2h、3 h)对试样表面进行振动研磨处理。针对喷丸工艺,改变不同的喷丸压力(0.1 MPa、0.2MPa、0.3 MPa、0.4MPa、0.5 MPa)对试样表面进行喷丸处理。在实验范围内,主要研究结果如下:(1)喷砂处理可以显著提高材料表面粗糙度。在喷砂时间、喷砂压力不变的情况下,砂砾目数越小,试样表面粗糙度越大。为了尽量降低试样表面粗糙度,应选用目数较大的砂砾。在喷砂压力、砂砾目数一定时,随着喷砂时间的增加,试样表面粗糙度逐渐增加,粗糙度标准差也越大。为使试样表面粗糙度尽量低,同时粗糙度均一性尽量小,应缩短喷砂时间。喷砂同时对材料表面具有较强的切削作用,当喷砂压力大于最小值0.073 MPa时,材料去除量与喷砂压力呈线性正相关。为了保证切削效率并兼顾表面质量,应选用较大的喷砂压力和目数较大的砂砾。喷砂工艺的最佳参数为:使用80目砂砾,喷砂压力为0.6MPa,喷砂时间依需要进行调整。此时材料表面质量去除速率为7.83 mg/s,厚度去除速率约为10 μm/s。喷砂会导致拉伸试样的抗拉强度大幅下降,粗糙度大幅上升,同时在表面形成深且尖锐的划痕,因此喷砂不宜作为最终工序,仅适用于表面预处理,用于消除明显缺陷及表面氧化物等。(2)振动研磨处理可以显著降低材料表面粗糙度,改变振动研磨时间和磨料形状,均会对表面粗糙度产生影响。使用球形磨料、振动研磨处理3小时后的试样,表面粗糙度从2.46 μm下降到0.32 μ m,降低了 87%。振动研磨可以提升材料表面残余压应力,未经处理的试样其表面残余应力为-55 MPa,经斜圆柱形磨料处理的试样表面残余压应力为-166 MPa,提升了 202%。振动研磨可以明显提升材料表面维氏硬度,使用斜圆柱形磨料、振动研磨处理3小时后的试样,表面维氏硬度从164.4提升至184.4,提升了 12.2%。综合实验结果,获得的振动最佳工艺为:使用斜圆柱形磨料,振动研磨处理3小时。使用该工艺处理后的试样疲劳极限为265 MPa,较未处理试样提升了 10.4%;表面粗糙度从2.64 μ m降至0.59 μ m,降幅为77.7%;表面残余应力从-55 MPa增加至-166 MPa,提升了 202%;表面维氏硬度从164.4提升至184.4,提升了 12.2%。无论使用球形磨料或斜圆柱形磨料,振动研磨对抗拉强度和屈服强度均无显著影响。振动研磨能够大幅降低试样表面粗糙度且粗糙度一致性高,明显提升材料表面维氏硬度,同时引入一定的残余压应力,适合对预处理后的试样进行进一步处理。(3)喷丸处理可以大幅提升试样表面残余压应力,残余压应力随喷丸压力的增大而增大。当喷丸压力从0.2 MPa逐渐提升至0.5 MPa时,表面残余压应力从-202 MPa提升至-252 MPa,相较于处理前的-55 MPa最多可提升358.2%。无论使用何种喷丸压力,喷丸后的残余压应力值从试样表面到内部均呈现先增大后减小趋势,并在50 μ m深处达到最大。其中使用0.5 MPa喷丸压力进行喷丸处理后的试样,在50 μm深处残余压应力达到最大,其值为-262 MPa,较未处理试样提升376.4%。喷丸处理会小幅增加表面粗糙度,使用0.5 MPa喷丸压力处理后的试样,其表面粗糙度从2.46 μm提升至3.08 μ m,增幅为25.2%。为了尽量提升喷丸后的残余应力,选定最佳喷丸压力为0.5 MPa。使用最佳喷丸压力处理后的试样未处理试样相比,疲劳极限从240 MPa提升至315 MPa,提升了 31.3%;表面残余应力从-55 MPa提升至-252 MPa,增加了 358.2%;表面粗糙度从2.46 μ m增加至3.08 μm,增幅为25.2%。在实验所用喷丸压力范围内,喷丸后试样的抗拉强度和屈服强度无明显变化,表面粗糙度仅有略微增加,残余压应力值大幅提升,同时疲劳极限大幅增加,适合作为最终表面处理工艺。(4)为全面提升15%SiCp/2009A1复合材料的疲劳极限,可采用先喷砂、再振动研磨、最后喷丸的综合工艺。经过喷砂工艺处理后材料表面无明显的锻造缺陷和氧化层等,再经过振动研磨工艺可大幅降低材料表面粗糙度、明显提升材料表面维氏硬度,最后经过喷丸工艺处理后引入大量残余压应力,此时材料表面具有较低的表面粗糙度和较高的表面残余压应力,疲劳性能达到最佳。