金属材料表面抛光强化的研究进展

金属材料表面抛光强化的研究进展

    工件所使用的金属材料因其特殊的工作环境，常受到磨损、腐蚀和疲劳损伤，导致零件失效。由于材料表层的组织结构对失效敏感，因此失效多产生于零件表面。提高金属材料表面性能有效增强其使用性能，而表面强化是一种通过改善金属材料的表层组织结构和残余应力分布来提高其表层特性的常用方法。

    为了提高材料的表面性能，延长材料的疲劳寿命，提出了多种表面处理技术。表面纳米化是一种不改变化学成分而将材料表层晶粒细化为纳米尺寸，从而提高工程部件整体机械性能的表面处理技术，包括超声喷丸加工、超声冲击处理、激光冲击处理和超声表面滚压加工等。其中，超声滚压工艺可以显著提高钛合金、铝合金和不锈钢等金属材料的表面性能，在提高材料的疲劳强度、耐磨性和抗腐蚀性等方面具有较大潜力。研究表明，超声滚压处理后40Cr的表面粗糙度降低至0.06μm，低于抛光处理的0.28μm；Ti-6Al-4V合金的微动疲劳极限提高了72.7%；17-4PH不锈钢表层显微硬度明显优于车削试样 。

与其他表面处理技术相比，超声滚压表面强化处理后的试样表面光洁度和外观都得到了很好的保证，具有工艺简单、节能环保和效率高等优点，可以代替传统的滚压、喷丸等加工工艺，在汽车工业、齿轮制造业和航空航天等领域得到了广泛应用。

1  超声滚压技术加工原理 

超声滚压技术是电子技术与传统滚压工艺的结合，属于无切削光整加工范畴。超声滚压加工装置见图1。

超声波发生器将交流电转换成高频电振动信号后，在换能器的作用下转变为同频率的机械振动，并由变幅杆将该机械振动的振幅放大并传递给工具头。工具头被设计成可旋转的球形，通常由碳化钨、钴等硬质合金材料制成，通过将滑动摩擦改为滚动摩擦，提供了良好的稳定性，延长了超声滚压工具头的寿命。

在超声滚压加工过程中，工具头沿材料表面法线方向施加一定的静压力和超声振动，在静态挤压和动态冲击的作用下，使材料发生弹、塑性变形，并在工件表面产生具有一定深度、均匀且变形严重的塑性变形层。超声滚压表面强化技术通过往复加工使工件表面受力均匀，加深塑性变形层，减小晶粒尺寸。同时，加工过程中所产生的塑性流动将材料表层的波峰填入波谷，降低表面粗糙度，提高了显微硬度，并在工件表层引入了有益的残余压应力，对于提高材料的疲劳强度、耐磨性及耐腐蚀性具有积极的作用。

2  超声滚压的研究进展

超声滚压技术是一种新兴的表面处理技术，可显著降低材料表面粗糙度和提高显微硬度，引入残余压应力并广泛应用于改善各种金属材料的表面性能。目前，国内外学者主要通过试验、微观组织机理和有限元仿真三个方面对超声滚压表面强化技术进行研究。

（1）滚压试验

       ①工艺参数

超声滚压加工中，滚压速度、进给量、静压力和滚压次数等工艺参数对超声滚压处理后材料的表面粗糙度、显微硬度、残余压应力及疲劳强度等性能的影响程度不同。其中，Bozdana A.T.等以Ti-6Al-4V合金为例，研究了滚压速度对材料表面形貌和近表面特性的影响，发现在较低滚压速度下获得的表面光洁度较好，当滚压速度逐渐增大时材料表面粗糙度更大，其主要原因是：较低的滚压速度使得材料表面被多次均匀处理，有效降低了表面粗糙度，而在较高滚压速度下却难以保证。Liu Y.等分析了滚压次数对材料表面所引入的残余压应力的影响，结果表明，残余压应力值随滚压次数的增加而增大，当滚压次数为12次时，表层残余压应力可达970MPa，与基体相比提高了近两倍。Zhang Yalong等发现超声滚压可以在较低的静压力下获得与传统滚压处理相同的表面粗糙度，为超声深冷滚压工艺应用于对硬质薄壁零件的加工提供了理论基础。

为提高材料的表面综合性能，优化加工过程中的工艺参数尤为重要。宋锦春等采用单因素试验探求超声滚压的工艺参数，总结了不同参数对工件表面粗糙度和硬度的影响规律，并根据使用要求给出了各参数的合理范围。姚成霖等选用正交试验法优化超声滚压工艺参数，利用正交试验结果进行直观分析，得出了各参数对超声滚压加工后工件表面粗糙度的影响规律和影响程度，分析了在影响表面粗糙度的各因素中，进给量对粗糙度的影响最大，且择优选出的工艺参数投入生产后，取得了良好的加工效果。

由此说明，超声滚压表面强化技术可改善传统加工所引起的表面粗糙和沟槽等缺陷，选择合适的工艺参数，可显著提高材料的表面性能。

②表面性能

与传统加工工艺相比，超声滚压表面强化处理可使材料具有更高的表面硬度、更低的表面粗糙度值、更大的残余压应力及塑性变形，表面机械性能明显提高，因此得到越来越广泛的关注。

工件失效中80%以上属于疲劳破坏，提高材料的疲劳强度对于增强工件的使用性能意义重大。Zhu Y.L.等通过旋转弯曲疲劳试验来探究超声滚压表面强化技术对Ti-6Al-4V疲劳特性的影响，超声滚压处理后试样的疲劳强度达到了612MPa，相比基体试样提高了65%。此外，材料的表面粗糙度显著降低，有效地抑制了疲劳裂纹的产生和扩展，提高了材料的疲劳性能，表层硬化是疲劳强度提高的主要原因。Yasuoka M.等对奥氏体不锈钢进行研究时发现，超声滚压表面强化技术使材料表面硬化，提高了疲劳强度，但同时也会导致微裂纹的产生。当施加的静压力较低时，表面微裂纹的影响弱于表面硬度的改善，疲劳强度升高，而增大静压力后材料表面产生了较多微裂纹，抵消了硬度的提高，降低疲劳强度。 

摩擦引起磨损，广泛存在于生产加工过程，是零部件失效的又一基本类型。提高材料的耐磨性有利于延长零部件的使用寿命，节约资源。Li G.等在研究Ti-6Al-4V合金的微动磨损性能时发现，超声滚压的处理提高了显微硬度，改善了表层组织结构并引入了残余压应力，材料的耐磨性提高。Zhang Q.等通过对比试验分析了17-4PH不锈钢的磨损性能，超声滚压试样的表层被引入了约800MPa的残余压应力(见图2)，显微硬度相比车削试样提高了约20%，摩擦系数和磨损率分别降低至10%~14%和25%，显微硬度的提高及残余压应力的引入是不锈钢耐磨性提高的主要原因。摩擦系数是影响合金磨损性能的重要因素之一，摩擦系数随冲击速度的增加而减小，超声滚压的处理增加了冲击接触力，提高了冲击速度，降低了合金的摩擦系数和磨损量，强化了Inconel 690合金的冲击滑动磨损性能。 

试验研究作为超声滚压表面强化技术研究的重点方向之一，通过对工艺参数及表面机械性能的研究，为实际生产加工提供了可靠的理论依据。

（2）微观组织机理

超声滚压处理对金属材料的强化作用主要体现在降低表面粗糙度、提高显微硬度、引入残余压应力和改善表层组织结构等方面。微观组织结构对材料的机械性能影响较大，细晶粒比粗晶粒更能分散塑性变形，使塑性变形更均匀，材料的塑性、疲劳性能和摩擦学性能均提高。

超声滚压表面强化技术能够改善材料表层的微观组织结构，提高工件的机械性能。其中，Wang H.等通过透射电镜观察了经电脉冲辅助超声滚压处理后的AISI304不锈钢试样表层微观结构，发现电脉冲与超声滚压的耦合作用将增加晶体的层错能和位错迁移率，产生超细化晶粒及强化层，改变了塑性变形机理，从而改善材料表面的机械性能。Shuai Ren等则利用X射线衍射技术对Cr12MoV模具钢的表层特性进行了系统研究，分析了超声深冷处理后的试样的塑性变形机理，阐明了残余奥氏体和马氏体的转变、小二次碳化物的弥散强化和碳化物的均匀分布均可以增强模具钢的表面性能。

超声滚压表面强化技术能够改善材料表层的微观组织结构，有效提高工件的机械性能。梯度纳米结构组织具有显著的塑性应变幅值，可减小应变局部化，抑制裂纹萌生，对于提高材料的疲劳性能具有积极的作用。Huang H.W.等发现超声滚压表面强化处理使材料内部产生了大量的位错和形变孪晶，并发生了显著的马氏体相变，梯度纳米结构组织在其共同作用下形成，提高了不锈钢试样的疲劳强度。Amanov A.等也对纳米结构组织做了相关研究，发现经超声滚压处理后，材料表面产生约180μm厚的纳米结构层，引入的强烈塑性变形使试样表层晶粒被细化至30~35nm，消除了孔隙，提高了材料的表面机械性能。由于纳米结构表面层的存在，材料的表面粗糙度降低，表层硬度提高，改善了摩擦学性能和微划痕性。

晶粒的细化对于提高材料的耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性能具有积极作用。Minglong C.等分析了纳米晶粒对高强度钢疲劳性能的影响，指出晶粒尺寸的减小会引起材料表层裂纹扩展路径变化，在一定程度上降低裂纹的扩展速度。随着晶粒的进一步细化，裂纹的路径方向变化也越来越多，降低了沿各个方向的裂纹长度，进而提高了疲劳强度。

有关表面纳米化现象产生的原因，Liu D.等通过观察17-4PH不锈钢微观特征发现，材料表层首先形成细长的超细晶粒，随后在位错滑移、位错缠结、位错带及位错壁的共同作用下晶粒被细化至纳米尺寸（见图3）；同时，形变孪晶与位错的相互作用对表面纳米晶粒的形成也产生了积极的影响。Ni Ao等则研究了粗晶粒向等轴纳米晶粒转化的过渡过程，比较了晶粒在不同深度的微观结构，阐明了超声滚压处理后材料的纳米结晶机理。

超声滚压表面强化技术以其良好的光整特性可部分替代传统滚压和喷丸等，同时作为一种绿色制造技术能够实现对被处理材料表面的改性，显著提高其表面性能，有广阔的发展前景。但与超声滚压技术的发展相比，其机理研究仍处于初级阶段，组织强化机理的理论分析较欠缺，未来需重点探讨研究。

（3）有限元仿真

超声滚压表面强化技术具有良好的特性，但对超声滚压所涉及的工艺参数及机理进行试验研究是一项耗时且繁琐的工作。目前关于超声滚压详细的参数化研究相对较少，而有限元仿真技术较为成熟，并且可作为一种有效的表征方法来辅助试验研究，因此通过有限元仿真研究超声滚压处理后零件的表层特性，为工艺优化和应用寻求方法和依据非常必要。

Liu Y.等采用ABAQUS软件建立三维动态有限元模型，对超声滚压处理后的参数进行评估，明确了只有当等效塑性应变≥8时才能形成纳米结构层，总结了制备纳米结构表层所需的参数，提出了等效塑性应变是预测纳米晶粒生成的可靠手段。另外，数值分析结果和试验测量值的吻合较好，说明利用有限元仿真技术可以对超声滚压产生的纳米结构表层特性进行有效的预测。Wu B.等采用等效载荷法建立了简化物理模型，并在此基础上利用LS_DYNA软件创建了三维有限元线性加工模型，研究了工艺参数对残余压应力、塑性变形和加工硬化的影响。

残余压应力是影响构件疲劳寿命的重要因素，对超声滚压处理后材料表面附近的应力大小、分布和深度进行预测是科研工作者长期关注的课题。Liu Y.等建立有限元模型预测了表层残余压应力的分布，并通过模拟值与试验值的比较对模型进行校正，证实了增加振动参数可显著提高残余压应力的大小和深度。同时，提出了等效塑性应变理论也用于预测加工硬化层的特性及工程构件的疲劳性能。Khan M.K.等对工程合金中的残余应力演化机理做出分析，模拟了不同合金的变形、应变和应变场，并与试验数据进行比较，发现屈服强度较高的材料产生的残余压应力较大，弹性模量和应变硬化指数较高的材料残余应力场分布较深。

有限元仿真已经成为分析研究超声滚压表面强化技术的一种重要手段，可以降低试验的次数和节约资源。通过数值模拟对超声滚压处理后材料表层性能的分析成为国内外学者的研究方向之一。

3  超声滚压的应用

超声滚压表面强化技术较传统滚压除了具有所需滚压力小、可引入高幅值大深度的残余压应力和极大提高表面质量等优势外，还可以用于高强度钢、细长轴、薄壁类零构件的表面强化处理，实用性较强。Fuqiang Lai等将超声滚压表面强化技术应用于内燃机排气阀的设计中，气门部件经超声滚压处理后疲劳强度明显提高，为内燃机排气阀的抗疲劳制造提供了一种新的精密高效加工方法。任学冲等针对铁路车轴的表面损伤问题，提出了超声滚压技术应用于提高铁路车轴疲劳性能的可行性，通过对EA4T型车轴钢试样表面超声滚压处理，发现该技术可以有效改善材料的表面状态，提高车轴的疲劳寿命，对我国高性能车轴制造理论的完善与工艺技术的进步具有重要意义。

随着超声滚压表面强化技术的不断发展，应用范围和领域也在逐步扩大，从传统的金属材料扩展到了复合材料、表面涂层，从工业领域扩展到医学领域。黄元林等利用超声深滚技术对钢基体电弧喷涂涂层进行表面复合强化后，发现涂层表面失效现象明显减轻，摩擦学性能得到了明显提高，强化效果显著。介绍了超声滚压技术对钛合金表面变形链球菌黏附的影响，为提高临床口腔钛合金修复体表面改性方法提供依据，表面被赋予独特的结构和良好性能，也在工业及医学上具备了更多的应用潜力。

现阶段，超声滚压表面强化技术已广泛应用于汽车工业、齿轮制造业、航空航天等领域，并且正在从工业领域向其他领域扩展。作为精密工具，模具对表面粗糙度、表面硬度以及疲劳强度等都有较高要求，模具加工水平也已经成为衡量一个国家制造水平的重要因素。因此，将超声滚压表面强化技术应用于提高模具等工程部件的使用性能，是该技术的重点研究方向，具有重要的实用价值。

小结

超声滚压作为一种既满足绿色加工要求，又可提高工件表面性能的制造技术，具有无切屑、高效率和低能耗等优点，得到了越来越广泛的应用。目前已经有许多学者在超声滚压加工方向作出了相关研究，但研究成果还不够成熟，从研究趋势上看，超声滚压表面强化技术仍有以下问题需要进一步探索：

（1）组织强化机理可以为超声滚压表面强化技术的实用性及工艺的优化提供理论基础。研究不同材料变形层晶粒尺寸、微观形变及其变化规律，探讨晶粒位错的产生及滑移规律，确立微观组织结构与表面粗糙度、残余压应力和表面显微硬度之间的对应关系是该技术领域的重点问题。

（2）开展对难加工金属材料和非金属材料的超声滚压工艺优化的研究，根据被处理材料的物理特性来设计合理的加工方式，并对工艺参数进行优选，实现工艺的优化，从而获得良好的表面质量。

（3）拓展超声滚压表面强化技术的应用领域，加快该技术应用于模具部件的表面强化与修复情况的后续研究。

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