Preliminary Assessment of the Vibro-Peening Process for Improving the Fatigue Life of Aerospace Components

Le vibro-grenaillage est un procédé dérivé du vibro-finissage qui a pour double objectif la finition de pièces métalliques et l'introduction de contraintes résiduelles compressives pour l'amélioration de la vie en fatigue. Bien que ce procédé apparaisse dans la littérature depuis les années 2000, très peu d'articles ont été publiés sur le sujet. Cette étude, réalisée en partenariat avec Safran Aerospace Defense Security et VibraFinish Ltd, a pour objectif de quantifier les effets du vibro-grenaillage sur des alliages utilisés dans l'industrie aérospatiale afin d'en évaluer le potentiel pour des applications industrielles. Cette étude expose les effets du vibro-grenaillage sur l'alliage titane Ti-6Al-4V et l'alliage d'acier cémenté E-16NiCrMo-13, dont les échantillons ont été fournis par Safran, et les compare à ceux induits par le grenaillage traditionnel, utilisant comme paramètre de contrôle l'intensité Almen. Les effets mesurés dans cette étude sont la rugosité de surface, les contraintes résiduelles en compression ainsi que la dureté. La revue de littérature a montré que la fréquence et la masse de média étaient potentiellement significatifs sur les effets induits par le procédé. Ces paramètres ont été retenus comme variables pour l'étude. L'étude présentée démontre la capacité du procédé de vibro-grenaillage à atteindre des intensités Almen comparables à celles atteintes par le procédé de grenaillage dans l'industrie aérospatiale, les intensités ciblés étant 0.12 mmA, 0.18 mmA et 0.25 mmA. Les échantillons d'alliage titane et acier ont finalement été traités à ces trois intensités puis observés en termes de rugosité, dureté et contraintes résiduelles. Finalement, des échantillons des mêmes matériaux ont été grenaillés aux intensités 0.12 mmA et 0.18 mmA dans les laboratoires de Safran, nous permettant une comparaison fidèle des deux procédés. Cette étude démontre que le vibro-grenaillage est capable de produire systématiquement des intensités de grenaillage entre 0.12 mmA et 0.25 mmA. De plus, il a été montré que le procédé induisait des contraintes résiduelles en compression et modifiait l'aspect de surface des pièces, réduisant (E-16NiCrMo13) ou effaçant (Ti-6Al-4V) les marques de fraisage et de rectifiage des échantillons. La rugosité moyenne de surface a été abaissée à 0.3-0.4 μm pour les deux matériaux. Cette étude permet également de conclure que la dureté en surface des échantillons a été accrue par le vibro-grenaillage, indépendamment des paramètres machine. À intensités Almen égales, le vibro-grenaillage a induit des contraintes en compression plus importantes et plus profondes que le grenaillage traditionnel. Également, le vibro-grenaillage a produit une rugosité plus faible que le grenaillage traditionnel. Le potentiel du procédé de vibro-grenaillage à combiner deux procédés en un (finition et grenaillage) ou éventuellement augmenter la vie en fatigue, a été démontré.

Abstract

Vibratory peening derives from vibratory finishing and aims to induce beneficial compressive residual stresses while simultaneously polishing the treated part. Even though this process appeared in literature since the 2000s, only a few public articles have been published on this topic. This study, realized in partnership with Safran Aerospace Defense and Security and VibraFinish Ltd, investigates the vibratory peening effects, in terms of residual stresses, roughness and hardening, on aerospace alloys. The investigation focused on titanium alloy Ti-6Al-4V and case hardened steel E-16NiCrMo13 samples provided by Safran. The effects induced by the vibratory peening process have been compared to the effects induced by the shot peening process, using Almen intensity as a control parameter. The measured effects were surface roughness, sub-surface compressive residual stresses fields and hardness profiles. The literature review identifies the tub vibration frequency and the mass of media as influential machine parameters on the vibratory peening effects. The influence of these parameters is investigated in the study. The experimental results presented next demonstrate the capacity of the vibratory peening process to reach Almen intensities ranging from 0.12 mmA to 0.25 mmA, which is comparable to the shot peening intensities used in the aerospace industry. Titanium and steel samples have been vibratory peened at 0.12 mmA, 0.18 mmA and 0.25 mmA and resulting roughness, residual stresses and hardness have been measured. Samples from the same materials have been shot peened at 0.12 mmA and 0.18 mmA at Safran Tech laboratories to compare the effects of both processes. The main conclusions of that study are that vibratory peening can consistently deliver peening intensity in the range of 0.12 mmA - 0.25 mmA. Furthermore, it has been shown that the process induced a compressive residual stress field and could modify the surface aspect of the parts, reducing (on E-16NiCrMo13) or erasing (on Ti-6Al-4V) milling marks. The surface roughness has been lowered down to 0.3-0.4 μm for both materials. The surface hardness has increased due to the vibratory peening process, independently of machine parameters. For similar Almen intensities, vibratory peening induced higher and deeper compressive residual stresses, when compared to those resulting from shot peening. Moreover, the vibratory peening process produced a lower surface roughness than the shot peening process. The study has demonstrated that vibratory peening could potentially combine fatigue life enhancement and surface finishing into a single processing step, and could even deliver higher fatigue lives than shot peening.