超聲沖擊表面改性工藝的影響因素*

張 涵，朱蔣培，曹小峰，EDDIE Barmor，曹小建

(1.南通大學(xué)，南通 226019；2.江蘇寶鋼精密鋼絲有限公司，南通 226100）

涂層、鍍膜、金屬自納米化、混合納米化是常見的幾種在金屬表面制備納米晶的方法。覆膜后界面兩側(cè)性質(zhì)差異大，承受荷載時易分層。1999年金屬表面自納米化概念提出后[1]，研究者主要著眼于噴丸、表面機械研磨、超聲輥壓、激光噴丸和超聲沖擊等工藝方法。這些技術(shù)通過沖擊、壓延、激光束等對金屬表面施加高能量，誘導(dǎo)晶粒細(xì)化甚至生成表層納米晶。金屬表面自納米化主要優(yōu)點包括采用常規(guī)機械處理方法，易實現(xiàn)；晶體尺寸及性能梯度變化，無明顯界面效應(yīng)。噴丸是幾種自納米化技術(shù)中應(yīng)用最廣的，但其隨機性和不均勻性影響了該技術(shù)的前景。有些技術(shù)受限于操作空間小和能耗大，一直停留在研究室階段。超聲沖擊表面改性最初被嘗試用來改善疲勞及腐蝕性能，在表征過程中發(fā)現(xiàn)表面會生成納米晶，超聲沖擊表面納米化技術(shù)成為研究熱點之一。采用該技術(shù)對各類材料進(jìn)行表面改性處理，經(jīng)過10多年的研究已有大量積累。本文對超聲沖擊表面改性工藝中的主要影響因素進(jìn)行了概述，可為新材料表面處理及特殊工況需求提供參考。

超聲沖擊表面改性技術(shù)

超聲沖擊表面納米化國際專利在2000年左右獲批，目前其設(shè)備已商品化，生產(chǎn)廠家主要是韓國Designmecha公司及中國Huawin公司。國內(nèi)對該技術(shù)進(jìn)行研究的科研單位有天津大學(xué)、中科院金屬所、四川大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院、長沙理工大學(xué)、南通大學(xué)等。國外開展相關(guān)研究的單位有京都大學(xué)、鮮文大學(xué)、慶北大學(xué)、阿克倫大學(xué)、夏威夷大學(xué)、卡尚大學(xué)等。超聲沖擊表面納米化技術(shù)中縱向振動產(chǎn)生于壓電陶瓷換能器或磁致伸縮換能器，頻率在數(shù)萬赫茲。其設(shè)備如圖1所示，圓棒試件可夾持在普通車床上[2]，處理大平面則借助多維機械臂。實際處理時，沖擊頭對金屬表面接觸區(qū)域施加正弦波動荷載。若輔助空壓機或液壓裝置施加靜荷載，則總荷載為兩者之和。沖擊頭一般采用高強度工具鋼，表面覆蓋碳化鎢膜。超聲沖擊表面處理實施過程中，還采用高壓空氣冷卻降溫和煤油輔助潤滑。因為是機械處理方式，表面光潔度和平整度成為該技術(shù)實施過程中的重要指標(biāo)。

圖1 超聲沖擊表面納米改性設(shè)備Fig.1 Device of ultrasonic nanocrystal surface modification

研究認(rèn)為，金屬表面晶粒碎化產(chǎn)生納米晶的機理主要包括位錯、孿晶或兩者共同作用。影響該機制的因素有層錯能、微觀結(jié)構(gòu)及晶粒取向等。金屬材料經(jīng)超聲表面沖擊處理后，透射電子顯微鏡觀察結(jié)果顯示表層晶粒尺寸已達(dá)數(shù)納米，且能觀察到明顯梯度變化[3]。該方法是有效獲得金屬表層納米晶的方法之一。金屬材料的維氏硬度、表層殘余應(yīng)力、粗糙度、拉伸強度、疲勞強度等機械性能在超聲沖擊表面改性后通常可以得到明顯改善或提升，而彈性模量和泊松比因納米晶的存在反而會輕微下降。以圓棒材料為例，單位面積沖擊次數(shù)計算方法見文獻(xiàn)[4]。該工藝的參數(shù)中主要影響因素有靜荷載、沖擊次數(shù)、沖擊頭尺寸等。改變這些因素常引起金屬材料機械性能的改變，因此針對不同材料尋求最佳參數(shù)組合是必要的。這也關(guān)系到超聲沖擊表面改性技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

工藝中的主要影響因素

1 靜荷載

超聲沖擊表面改性設(shè)備中，空壓機的作用是提供靜荷載，其作用可以用螺旋式或液壓式裝置來代替[5]。在不引入靜荷載的情況下，對近β型Ti3Zr2Sn3Mo25 Nb（TLM）鈦合金進(jìn)行超聲沖擊表面處理。采用電子背散射衍射（EBSD，Leica EM RES 102）測試技術(shù)，由表面開始做小步長細(xì)掃（步長為0.035μm），結(jié)果顯示距表面15μm外才可獲得較理想的晶體解析率，說明已在該材料表面獲得了約15μm深的非晶晶化層即納米層。該結(jié)果與光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對金相試樣觀察的結(jié)果一致[6]。這表明僅依靠正弦振動荷載即可在金屬表面獲得一定深度的納米晶層。

對SUS304不銹鋼進(jìn)行不同靜載下超聲沖擊處理。振幅均為30μm，沖擊34000次/mm2。隨著靜荷載的增加，表面殘余壓應(yīng)力越大，硬度也越大，但表面平整度會有所降低。材料塑性變形產(chǎn)生的表層納米晶飽和后，再想提升其硬度較難。該材料為奧氏體不銹鋼，超聲沖擊誘導(dǎo)產(chǎn)生納米晶過程中伴隨著馬氏體相變，疲勞強度會有大幅提升。但對于超聲沖擊過程中無明顯相變的材料，經(jīng)統(tǒng)計其疲勞強度基本在[0.50σb，0.65σb]區(qū)間內(nèi)[4]。對A6061–T6鋁合金進(jìn)行不同靜載下的超聲沖擊表面改性，其硬度、粗糙度、殘余應(yīng)力、疲勞強度同時得到了提升和改善[7]。但因該材料偏軟且工藝參數(shù)較保守，提升幅度均較小。另外，通過顯微觀察，納米晶層厚度（強塑性變形層）隨靜荷載的增加有明顯增大，說明較大的靜荷載提供的應(yīng)力場影響越深。SCM435鋼表面超聲沖擊處理后的表面形貌如圖2所示[8]，較高靜荷載引起的塑性變形會在材料表面造成更明顯的峰谷形貌，從而形成橫向微裂紋（即圖2中顏色較深的規(guī)則豎線）。不同靜荷載超聲沖擊處理SCM435后的性能如表1所示。

圖2 超聲沖擊處理后SCM435鋼的表面形貌Fig.2 Surface topography of SCM435 subjected to ultrasonic surface impact

表1 不同靜荷載超聲沖擊處理SCM435后的性能Table 1 Properties of SCM435 after ultrasonic surface impact under different static load

2 沖擊次數(shù)

處理軸狀試件時，沖擊次數(shù)N計算考慮以下幾個分量，分別是沖擊頭步進(jìn)速度V，mm/r；車床轉(zhuǎn)速S，r/min；超聲波頻率f，Hz。頻率是固定的，標(biāo)準(zhǔn)商用壓電陶瓷堆一般控制在20kHz或30kHz。主要變量即步進(jìn)速度和車床轉(zhuǎn)速。計算公式如式（1）所示。

試驗表明，車床處理中回刀會造成前后兩次沖擊引起的塑性流變方向不一致，易產(chǎn)生應(yīng)力不連續(xù)而導(dǎo)致分層，不利于構(gòu)件承載。因而工藝生產(chǎn)過程中往往兩者均采取較小的速度，保證單次走刀到達(dá)最大的效果。若目標(biāo)沖擊次數(shù)較大，則沿同一方向先后進(jìn)刀進(jìn)行累積。

對45鋼表面進(jìn)行不同沖擊次數(shù)超聲沖擊處理，表2列出了單位面積沖擊數(shù)及處理后各組機械性能的對比[2]。振幅均為30μm，靜荷載為30N。圖3[2]為采用覆膜法獲得的45鋼超聲沖擊表面改性后的表面形貌。由該組圖可知，得較大的沖擊次數(shù)更易在表面產(chǎn)生斜向波紋。在分析45鋼超聲沖擊處理后的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗裂紋萌生機制時，發(fā)現(xiàn)所有試樣均為表面裂紋源。覆膜法觀察到裂紋萌生于表面顏色較深的規(guī)則豎線且沿它們快速擴(kuò)展。斜向波紋則為裂紋分叉提供了途徑[9–10]，這在一定程度上削弱了超聲沖擊強化的效果。

圖3 超聲沖擊處理后45鋼的表面形貌Fig.3 Surface topography of 45# steel after ultrasonic surface impact

表2 不同靜荷載超聲沖擊次數(shù)處理45鋼后的性能Table 2 Properties of 45# steel after ultrasonic surface impact under different vibration strike numbers

3 沖擊頭參數(shù)

圖4為原子力顯微鏡下超聲沖擊表面改性處理后的金屬材料表面形貌[3,11]。可見，較小尺寸的沖擊頭在試樣表面獲得了較規(guī)律的表面形貌，小步進(jìn)下每次沖擊球頭擠出的凹坑邊緣均會疊加臨近沖擊坑邊緣。較大尺寸的沖擊頭因接觸面大，步進(jìn)控制時，不能完美覆蓋上一圈塑性變形擠出的凸出部分，整體上無明顯規(guī)律，也無明顯斜向或縱橫向微裂紋。較小的沖擊頭更易對金屬表面進(jìn)行塑形控制。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗結(jié)果表明，8mm直徑?jīng)_擊頭超聲沖擊處理后TLM鈦合金低循環(huán)應(yīng)力下大量呈現(xiàn)裂紋內(nèi)部萌生模式，不同于2.38mm沖擊頭處理45鋼后全部表面起裂。盡管彎曲正應(yīng)力最大值仍在表面，但表面殘余應(yīng)力場和納米細(xì)晶有效地抑制了表面裂紋成核，粗晶變形層也妨礙了裂紋的快速擴(kuò)展。TLM內(nèi)部萌生裂紋的機制主要是晶面滑移，在三叉晶界處形成裂紋核心。Lee等[12]研究發(fā)現(xiàn)在超聲沖擊頭中加入鈷元素，可降低其與金屬接觸的摩擦系數(shù)約21%，且球頭耐摩擦性能可大幅提升。這可減小超聲沖擊對材料表面的損傷，從而獲得更好的表面平整度。另外，沖擊頭材質(zhì)硬度不夠時，易在金屬表面產(chǎn)生黏滯磨蝕。

圖4 原子力顯微鏡下超聲沖擊處理后的表面形貌Fig.4 Surface topography after ultrasonic surface impact by atom forced microscopy

除以上所述靜荷載、單位面積沖擊次數(shù)、沖擊頭參數(shù)等會明顯影響超聲沖擊處理后金屬材料的性能，研究者還發(fā)現(xiàn)正弦沖擊波的振幅對處理后的金屬表面形貌有一定影響[13–14]，但文獻(xiàn)中未對振幅單獨調(diào)整后的性能進(jìn)行分析。盡管如此，從中仍能看出更大的振幅可獲得更大的表面硬度、殘余應(yīng)力和疲勞強度。沖擊過程中試樣表面的溫度控制同樣會關(guān)聯(lián)到其表面性能，如沖擊頭偏軟導(dǎo)致摩擦力較大時，粘滯摩擦易破壞表面形貌。

微觀結(jié)構(gòu)的影響

研究者對機械方式誘導(dǎo)表面納米化機制進(jìn)行了大量試驗研究。晶粒逐漸細(xì)化形成納米晶的機理主要是位錯運動和機械孿生。材料的層錯能、晶體結(jié)構(gòu)、晶粒取向等決定了納米晶生成的具體原因。對于典型的體心立方結(jié)構(gòu)和面心立方結(jié)構(gòu)金屬，因滑移系較多，層錯能決定了位錯運動的難易。通常對含這兩種結(jié)構(gòu)的材料，層錯能越高，其塑性變形主要是位錯運動，反之則為孿晶方式。對于密排六方金屬、機械孿生和位錯運動常常相伴發(fā)生。如前文所述，對于非穩(wěn)定相，塑性變形過程中會同時誘發(fā)相變。如奧氏體不銹鋼在表面超聲沖擊時可觀察到明顯的馬氏體相變。表3列出了SUS304經(jīng)超聲沖擊處理后的性能。因馬氏體強度更高，疲勞強度明顯提高（可超過母材拉伸強度），表面硬度也大幅提高。化學(xué)元素和熱處理溫度均會影響材料最終的顯微結(jié)構(gòu)，因此對不同材料，應(yīng)廣泛收集相關(guān)數(shù)據(jù)，為精準(zhǔn)應(yīng)用超聲沖擊技術(shù)做鋪墊。

表3 SUS304經(jīng)超聲沖擊處理后的性能Table 3 Properties of SUS304 after ultrasonic surface impact

結(jié)論

（1）僅施加正弦波超聲沖擊動荷載，即可在金屬表面獲得一定深度的晶粒細(xì)化層。隨著靜荷載增加，材料表面受超聲沖擊改性處理后的表面硬度、殘余應(yīng)力和強度越高，但表面粗糙度降低。

（2）單位面積沖擊次數(shù)越大，受沖擊處理后材料的表面硬度、殘余應(yīng)力、表面粗糙度、疲勞強度均有明顯改善。

（3）尺寸較小的沖擊頭處理后，塑性變形引起的橫向平行峰谷是表面裂紋產(chǎn)生的主要原因。8mm直徑?jīng)_擊頭可有效減小表面損傷，使裂紋由表面向內(nèi)部轉(zhuǎn)變，更好地達(dá)到改性效果。

（4）因材料晶體結(jié)構(gòu)不同，靜荷載、沖擊次數(shù)、沖擊頭參數(shù)、振幅等對金屬材料超聲表面沖擊后的效果不統(tǒng)一，針對不同需求應(yīng)先探索合適的參數(shù)組合以達(dá)到改性目標(biāo)。

（5）盡管研究者們對超聲沖擊生成納米晶的機理已開展了相當(dāng)?shù)难芯俊５虏牧喜粩嘤楷F(xiàn)，仍需要繼續(xù)對超聲沖擊處理后各種材料的性能進(jìn)行研究。實際操作中已利用四軸聯(lián)動機構(gòu)處理平面構(gòu)件，未來還可開發(fā)表面自適應(yīng)沖擊裝置處理復(fù)雜表面，甚至是對孔內(nèi)表面進(jìn)行超聲沖擊納米化，這也有利于配合增材制造進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的定制處理。另外，該工藝相關(guān)的數(shù)學(xué)力學(xué)模型也值得繼續(xù)研究。