金屬材料表面拋光強(qiáng)化的研究進(jìn)展

金屬材料表面拋光強(qiáng)化的研究進(jìn)展

    工件所使用的金屬材料因其特殊的工作環(huán)境，常受到磨損、腐蝕和疲勞損傷，導(dǎo)致零件失效。由于材料表層的組織結(jié)構(gòu)對失效敏感，因此失效多產(chǎn)生于零件表面。提高金屬材料表面性能有效增強(qiáng)其使用性能，而表面強(qiáng)化是一種通過改善金屬材料的表層組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力分布來提高其表層特性的常用方法。

    為了提高材料的表面性能，延長材料的疲勞壽命，提出了多種表面處理技術(shù)。表面納米化是一種不改變化學(xué)成分而將材料表層晶粒細(xì)化為納米尺寸，從而提高工程部件整體機(jī)械性能的表面處理技術(shù)，包括超聲噴丸加工、超聲沖擊處理、激光沖擊處理和超聲表面滾壓加工等。其中，超聲滾壓工藝可以顯著提高鈦合金、鋁合金和不銹鋼等金屬材料的表面性能，在提高材料的疲勞強(qiáng)度、耐磨性和抗腐蝕性等方面具有較大潛力。研究表明，超聲滾壓處理后40Cr的表面粗糙度降低至0.06μm，低于拋光處理的0.28μm；Ti-6Al-4V合金的微動疲勞極限提高了72.7%；17-4PH不銹鋼表層顯微硬度明顯優(yōu)于車削試樣 。

與其他表面處理技術(shù)相比，超聲滾壓表面強(qiáng)化處理后的試樣表面光潔度和外觀都得到了很好的保證，具有工藝簡單、節(jié)能環(huán)保和效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滾壓、噴丸等加工工藝，在汽車工業(yè)、齒輪制造業(yè)和航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1  超聲滾壓技術(shù)加工原理 

超聲滾壓技術(shù)是電子技術(shù)與傳統(tǒng)滾壓工藝的結(jié)合，屬于無切削光整加工范疇。超聲滾壓加工裝置見圖1。

超聲波發(fā)生器將交流電轉(zhuǎn)換成高頻電振動信號后，在換能器的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的機(jī)械振動，并由變幅桿將該機(jī)械振動的振幅放大并傳遞給工具頭。工具頭被設(shè)計(jì)成可旋轉(zhuǎn)的球形，通常由碳化鎢、鈷等硬質(zhì)合金材料制成，通過將滑動摩擦改為滾動摩擦，提供了良好的穩(wěn)定性，延長了超聲滾壓工具頭的壽命。

在超聲滾壓加工過程中，工具頭沿材料表面法線方向施加一定的靜壓力和超聲振動，在靜態(tài)擠壓和動態(tài)沖擊的作用下，使材料發(fā)生彈、塑性變形，并在工件表面產(chǎn)生具有一定深度、均勻且變形嚴(yán)重的塑性變形層。超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)通過往復(fù)加工使工件表面受力均勻，加深塑性變形層，減小晶粒尺寸。同時，加工過程中所產(chǎn)生的塑性流動將材料表層的波峰填入波谷，降低表面粗糙度，提高了顯微硬度，并在工件表層引入了有益的殘余壓應(yīng)力，對于提高材料的疲勞強(qiáng)度、耐磨性及耐腐蝕性具有積極的作用。

2  超聲滾壓的研究進(jìn)展

超聲滾壓技術(shù)是一種新興的表面處理技術(shù)，可顯著降低材料表面粗糙度和提高顯微硬度，引入殘余壓應(yīng)力并廣泛應(yīng)用于改善各種金屬材料的表面性能。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過試驗(yàn)、微觀組織機(jī)理和有限元仿真三個方面對超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行研究。

（1）滾壓試驗(yàn)

       ①工藝參數(shù)

超聲滾壓加工中，滾壓速度、進(jìn)給量、靜壓力和滾壓次數(shù)等工藝參數(shù)對超聲滾壓處理后材料的表面粗糙度、顯微硬度、殘余壓應(yīng)力及疲勞強(qiáng)度等性能的影響程度不同。其中，Bozdana A.T.等以Ti-6Al-4V合金為例，研究了滾壓速度對材料表面形貌和近表面特性的影響，發(fā)現(xiàn)在較低滾壓速度下獲得的表面光潔度較好，當(dāng)滾壓速度逐漸增大時材料表面粗糙度更大，其主要原因是：較低的滾壓速度使得材料表面被多次均勻處理，有效降低了表面粗糙度，而在較高滾壓速度下卻難以保證。Liu Y.等分析了滾壓次數(shù)對材料表面所引入的殘余壓應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，殘余壓應(yīng)力值隨滾壓次數(shù)的增加而增大，當(dāng)滾壓次數(shù)為12次時，表層殘余壓應(yīng)力可達(dá)970MPa，與基體相比提高了近兩倍。Zhang Yalong等發(fā)現(xiàn)超聲滾壓可以在較低的靜壓力下獲得與傳統(tǒng)滾壓處理相同的表面粗糙度，為超聲深冷滾壓工藝應(yīng)用于對硬質(zhì)薄壁零件的加工提供了理論基礎(chǔ)。

為提高材料的表面綜合性能，優(yōu)化加工過程中的工藝參數(shù)尤為重要。宋錦春等采用單因素試驗(yàn)探求超聲滾壓的工藝參數(shù)，總結(jié)了不同參數(shù)對工件表面粗糙度和硬度的影響規(guī)律，并根據(jù)使用要求給出了各參數(shù)的合理范圍。姚成霖等選用正交試驗(yàn)法優(yōu)化超聲滾壓工藝參數(shù)，利用正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析，得出了各參數(shù)對超聲滾壓加工后工件表面粗糙度的影響規(guī)律和影響程度，分析了在影響表面粗糙度的各因素中，進(jìn)給量對粗糙度的影響最大，且擇優(yōu)選出的工藝參數(shù)投入生產(chǎn)后，取得了良好的加工效果。

由此說明，超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)可改善傳統(tǒng)加工所引起的表面粗糙和溝槽等缺陷，選擇合適的工藝參數(shù)，可顯著提高材料的表面性能。

②表面性能

與傳統(tǒng)加工工藝相比，超聲滾壓表面強(qiáng)化處理可使材料具有更高的表面硬度、更低的表面粗糙度值、更大的殘余壓應(yīng)力及塑性變形，表面機(jī)械性能明顯提高，因此得到越來越廣泛的關(guān)注。

工件失效中80%以上屬于疲勞破壞，提高材料的疲勞強(qiáng)度對于增強(qiáng)工件的使用性能意義重大。Zhu Y.L.等通過旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)來探究超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)對Ti-6Al-4V疲勞特性的影響，超聲滾壓處理后試樣的疲勞強(qiáng)度達(dá)到了612MPa，相比基體試樣提高了65%。此外，材料的表面粗糙度顯著降低，有效地抑制了疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，提高了材料的疲勞性能，表層硬化是疲勞強(qiáng)度提高的主要原因。Yasuoka M.等對奧氏體不銹鋼進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)使材料表面硬化，提高了疲勞強(qiáng)度，但同時也會導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。當(dāng)施加的靜壓力較低時，表面微裂紋的影響弱于表面硬度的改善，疲勞強(qiáng)度升高，而增大靜壓力后材料表面產(chǎn)生了較多微裂紋，抵消了硬度的提高，降低疲勞強(qiáng)度。 

摩擦引起磨損，廣泛存在于生產(chǎn)加工過程，是零部件失效的又一基本類型。提高材料的耐磨性有利于延長零部件的使用壽命，節(jié)約資源。Li G.等在研究Ti-6Al-4V合金的微動磨損性能時發(fā)現(xiàn)，超聲滾壓的處理提高了顯微硬度，改善了表層組織結(jié)構(gòu)并引入了殘余壓應(yīng)力，材料的耐磨性提高。Zhang Q.等通過對比試驗(yàn)分析了17-4PH不銹鋼的磨損性能，超聲滾壓試樣的表層被引入了約800MPa的殘余壓應(yīng)力(見圖2)，顯微硬度相比車削試樣提高了約20%，摩擦系數(shù)和磨損率分別降低至10%~14%和25%，顯微硬度的提高及殘余壓應(yīng)力的引入是不銹鋼耐磨性提高的主要原因。摩擦系數(shù)是影響合金磨損性能的重要因素之一，摩擦系數(shù)隨沖擊速度的增加而減小，超聲滾壓的處理增加了沖擊接觸力，提高了沖擊速度，降低了合金的摩擦系數(shù)和磨損量，強(qiáng)化了Inconel 690合金的沖擊滑動磨損性能。 

試驗(yàn)研究作為超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)研究的重點(diǎn)方向之一，通過對工藝參數(shù)及表面機(jī)械性能的研究，為實(shí)際生產(chǎn)加工提供了可靠的理論依據(jù)。

（2）微觀組織機(jī)理

超聲滾壓處理對金屬材料的強(qiáng)化作用主要體現(xiàn)在降低表面粗糙度、提高顯微硬度、引入殘余壓應(yīng)力和改善表層組織結(jié)構(gòu)等方面。微觀組織結(jié)構(gòu)對材料的機(jī)械性能影響較大，細(xì)晶粒比粗晶粒更能分散塑性變形，使塑性變形更均勻，材料的塑性、疲勞性能和摩擦學(xué)性能均提高。

超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)能夠改善材料表層的微觀組織結(jié)構(gòu)，提高工件的機(jī)械性能。其中，Wang H.等通過透射電鏡觀察了經(jīng)電脈沖輔助超聲滾壓處理后的AISI304不銹鋼試樣表層微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)電脈沖與超聲滾壓的耦合作用將增加晶體的層錯能和位錯遷移率，產(chǎn)生超細(xì)化晶粒及強(qiáng)化層，改變了塑性變形機(jī)理，從而改善材料表面的機(jī)械性能。Shuai Ren等則利用X射線衍射技術(shù)對Cr12MoV模具鋼的表層特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了超聲深冷處理后的試樣的塑性變形機(jī)理，闡明了殘余奧氏體和馬氏體的轉(zhuǎn)變、小二次碳化物的彌散強(qiáng)化和碳化物的均勻分布均可以增強(qiáng)模具鋼的表面性能。

超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)能夠改善材料表層的微觀組織結(jié)構(gòu)，有效提高工件的機(jī)械性能。梯度納米結(jié)構(gòu)組織具有顯著的塑性應(yīng)變幅值，可減小應(yīng)變局部化，抑制裂紋萌生，對于提高材料的疲勞性能具有積極的作用。Huang H.W.等發(fā)現(xiàn)超聲滾壓表面強(qiáng)化處理使材料內(nèi)部產(chǎn)生了大量的位錯和形變孿晶，并發(fā)生了顯著的馬氏體相變，梯度納米結(jié)構(gòu)組織在其共同作用下形成，提高了不銹鋼試樣的疲勞強(qiáng)度。Amanov A.等也對納米結(jié)構(gòu)組織做了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲滾壓處理后，材料表面產(chǎn)生約180μm厚的納米結(jié)構(gòu)層，引入的強(qiáng)烈塑性變形使試樣表層晶粒被細(xì)化至30~35nm，消除了孔隙，提高了材料的表面機(jī)械性能。由于納米結(jié)構(gòu)表面層的存在，材料的表面粗糙度降低，表層硬度提高，改善了摩擦學(xué)性能和微劃痕性。

晶粒的細(xì)化對于提高材料的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性能具有積極作用。Minglong C.等分析了納米晶粒對高強(qiáng)度鋼疲勞性能的影響，指出晶粒尺寸的減小會引起材料表層裂紋擴(kuò)展路徑變化，在一定程度上降低裂紋的擴(kuò)展速度。隨著晶粒的進(jìn)一步細(xì)化，裂紋的路徑方向變化也越來越多，降低了沿各個方向的裂紋長度，進(jìn)而提高了疲勞強(qiáng)度。

有關(guān)表面納米化現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，Liu D.等通過觀察17-4PH不銹鋼微觀特征發(fā)現(xiàn)，材料表層首先形成細(xì)長的超細(xì)晶粒，隨后在位錯滑移、位錯纏結(jié)、位錯帶及位錯壁的共同作用下晶粒被細(xì)化至納米尺寸（見圖3）；同時，形變孿晶與位錯的相互作用對表面納米晶粒的形成也產(chǎn)生了積極的影響。Ni Ao等則研究了粗晶粒向等軸納米晶粒轉(zhuǎn)化的過渡過程，比較了晶粒在不同深度的微觀結(jié)構(gòu)，闡明了超聲滾壓處理后材料的納米結(jié)晶機(jī)理。

超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)以其良好的光整特性可部分替代傳統(tǒng)滾壓和噴丸等，同時作為一種綠色制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對被處理材料表面的改性，顯著提高其表面性能，有廣闊的發(fā)展前景。但與超聲滾壓技術(shù)的發(fā)展相比，其機(jī)理研究仍處于初級階段，組織強(qiáng)化機(jī)理的理論分析較欠缺，未來需重點(diǎn)探討研究。

（3）有限元仿真

超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)具有良好的特性，但對超聲滾壓所涉及的工藝參數(shù)及機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)研究是一項(xiàng)耗時且繁瑣的工作。目前關(guān)于超聲滾壓詳細(xì)的參數(shù)化研究相對較少，而有限元仿真技術(shù)較為成熟，并且可作為一種有效的表征方法來輔助試驗(yàn)研究，因此通過有限元仿真研究超聲滾壓處理后零件的表層特性，為工藝優(yōu)化和應(yīng)用尋求方法和依據(jù)非常必要。

Liu Y.等采用ABAQUS軟件建立三維動態(tài)有限元模型，對超聲滾壓處理后的參數(shù)進(jìn)行評估，明確了只有當(dāng)?shù)刃苄詰?yīng)變≥8時才能形成納米結(jié)構(gòu)層，總結(jié)了制備納米結(jié)構(gòu)表層所需的參數(shù)，提出了等效塑性應(yīng)變是預(yù)測納米晶粒生成的可靠手段。另外，數(shù)值分析結(jié)果和試驗(yàn)測量值的吻合較好，說明利用有限元仿真技術(shù)可以對超聲滾壓產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)表層特性進(jìn)行有效的預(yù)測。Wu B.等采用等效載荷法建立了簡化物理模型，并在此基礎(chǔ)上利用LS_DYNA軟件創(chuàng)建了三維有限元線性加工模型，研究了工藝參數(shù)對殘余壓應(yīng)力、塑性變形和加工硬化的影響。

殘余壓應(yīng)力是影響構(gòu)件疲勞壽命的重要因素，對超聲滾壓處理后材料表面附近的應(yīng)力大小、分布和深度進(jìn)行預(yù)測是科研工作者長期關(guān)注的課題。Liu Y.等建立有限元模型預(yù)測了表層殘余壓應(yīng)力的分布，并通過模擬值與試驗(yàn)值的比較對模型進(jìn)行校正，證實(shí)了增加振動參數(shù)可顯著提高殘余壓應(yīng)力的大小和深度。同時，提出了等效塑性應(yīng)變理論也用于預(yù)測加工硬化層的特性及工程構(gòu)件的疲勞性能。Khan M.K.等對工程合金中的殘余應(yīng)力演化機(jī)理做出分析，模擬了不同合金的變形、應(yīng)變和應(yīng)變場，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)屈服強(qiáng)度較高的材料產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力較大，彈性模量和應(yīng)變硬化指數(shù)較高的材料殘余應(yīng)力場分布較深。

有限元仿真已經(jīng)成為分析研究超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)的一種重要手段，可以降低試驗(yàn)的次數(shù)和節(jié)約資源。通過數(shù)值模擬對超聲滾壓處理后材料表層性能的分析成為國內(nèi)外學(xué)者的研究方向之一。

3  超聲滾壓的應(yīng)用

超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)較傳統(tǒng)滾壓除了具有所需滾壓力小、可引入高幅值大深度的殘余壓應(yīng)力和極大提高表面質(zhì)量等優(yōu)勢外，還可以用于高強(qiáng)度鋼、細(xì)長軸、薄壁類零構(gòu)件的表面強(qiáng)化處理，實(shí)用性較強(qiáng)。Fuqiang Lai等將超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)排氣閥的設(shè)計(jì)中，氣門部件經(jīng)超聲滾壓處理后疲勞強(qiáng)度明顯提高，為內(nèi)燃機(jī)排氣閥的抗疲勞制造提供了一種新的精密高效加工方法。任學(xué)沖等針對鐵路車軸的表面損傷問題，提出了超聲滾壓技術(shù)應(yīng)用于提高鐵路車軸疲勞性能的可行性，通過對EA4T型車軸鋼試樣表面超聲滾壓處理，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以有效改善材料的表面狀態(tài)，提高車軸的疲勞壽命，對我國高性能車軸制造理論的完善與工藝技術(shù)的進(jìn)步具有重要意義。

隨著超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用范圍和領(lǐng)域也在逐步擴(kuò)大，從傳統(tǒng)的金屬材料擴(kuò)展到了復(fù)合材料、表面涂層，從工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。黃元林等利用超聲深滾技術(shù)對鋼基體電弧噴涂涂層進(jìn)行表面復(fù)合強(qiáng)化后，發(fā)現(xiàn)涂層表面失效現(xiàn)象明顯減輕，摩擦學(xué)性能得到了明顯提高，強(qiáng)化效果顯著。介紹了超聲滾壓技術(shù)對鈦合金表面變形鏈球菌黏附的影響，為提高臨床口腔鈦合金修復(fù)體表面改性方法提供依據(jù)，表面被賦予獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和良好性能，也在工業(yè)及醫(yī)學(xué)上具備了更多的應(yīng)用潛力。

現(xiàn)階段，超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、齒輪制造業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，并且正在從工業(yè)領(lǐng)域向其他領(lǐng)域擴(kuò)展。作為精密工具，模具對表面粗糙度、表面硬度以及疲勞強(qiáng)度等都有較高要求，模具加工水平也已經(jīng)成為衡量一個國家制造水平的重要因素。因此，將超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于提高模具等工程部件的使用性能，是該技術(shù)的重點(diǎn)研究方向，具有重要的實(shí)用價值。

小結(jié)

超聲滾壓作為一種既滿足綠色加工要求，又可提高工件表面性能的制造技術(shù)，具有無切屑、高效率和低能耗等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前已經(jīng)有許多學(xué)者在超聲滾壓加工方向作出了相關(guān)研究，但研究成果還不夠成熟，從研究趨勢上看，超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)仍有以下問題需要進(jìn)一步探索：

（1）組織強(qiáng)化機(jī)理可以為超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)的實(shí)用性及工藝的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。研究不同材料變形層晶粒尺寸、微觀形變及其變化規(guī)律，探討晶粒位錯的產(chǎn)生及滑移規(guī)律，確立微觀組織結(jié)構(gòu)與表面粗糙度、殘余壓應(yīng)力和表面顯微硬度之間的對應(yīng)關(guān)系是該技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)問題。

（2）開展對難加工金屬材料和非金屬材料的超聲滾壓工藝優(yōu)化的研究，根據(jù)被處理材料的物理特性來設(shè)計(jì)合理的加工方式，并對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化，從而獲得良好的表面質(zhì)量。

（3）拓展超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，加快該技術(shù)應(yīng)用于模具部件的表面強(qiáng)化與修復(fù)情況的后續(xù)研究。

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