超声振动表层强化技术研究现状及展望_张彪.pdf

1、第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑 性 工 程 学 报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引 文 格 式:张 彪,王 晓 强,田 英 健,等.超 声 振 动 表 层 强 化 技 术 研 究 现 状 及 展 望 J.塑 性 工 程 学 报,2023,30(2):16-25.ZHANG Bi-ao,WANG Xiaoqiang,TIAN Yingjian,et al.Research status and prospect of ultrasonic vibration surface strengthening te

2、chnology J.Journal of Plastic-ity Engineering,2023,30(2):16-25.基 金 项 目:国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目(U1804145);国 家 重 点 研 发 计 划(2018YFB2000405)通 信 作 者:王 晓 强,男,1972 年 生,博 士,教 授,主 要 从 事 超 声 振 动 表 面 强 化 研 究,E-mail:wang_ xq2002 第 一 作 者:张 彪,男,1997 年 生,硕 士 研 究 生,主 要 从 事 超 声 振 动 表 面 强 化 研 究,E-mail:zhang_ b2020 收

3、稿 日 期:2022-04-04;修 订 日 期:2022-11-03超 声 振 动 表 层 强 化 技 术 研 究 现 状 及 展 望张 彪,王 晓 强,田 英 健,王 浩 杰,付 浩 然,曹 丽 茹(河 南 科 技 大 学 机 电 工 程 学 院,河 南 洛 阳 471003)摘 要:阐 述 了 超 声 振 动 滚 压 技 术 对 工 件 的 表 层 强 化 原 理,对 超 声 振 动 滚 压 技 术 表 面 强 化 的 研 究 现 状 进 行 了 总 结,指 出 了 现阶 段 超 声 振 动 滚 压 技 术 表 面 强 化 研 究 的 发 展 方 向。依 据 超 声 振 动 滚 压 技

4、术 的 研 究 思 路,对 超 声 振 动 喷 丸 技 术 进 行 了 论 述。介绍 了 超 声 振 动 表 面 强 化 与 其 他 技 术 的 复 合 强 化 原 理 及 研 究 现 状。对 超 声 振 动 表 层 强 化 技 术 的 发 展 方 向 进 行 了 展 望,包 括 向 绿色 可 持 续 方 向 发 展、超 声 强 化 与 其 他 技 术 复 合 和 创 建 工 艺 参 数 与 强 化 效 果 之 间 的 数 据 库。总 结 了 当 前 超 声 振 动 强 化 技 术 及 超声 振 动 复 合 强 化 技 术 的 研 究。关 键 词:表 面 强 化;超 声 滚 压;超 声 喷 丸

5、;超 声 振 动 复 合 强 化 技 术中 图 分 类 号:TG115 文 献 标 识 码:A 文 章 编 号:1007-2012(2023)02-0016-10d o i:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.002R e s e a r c h s t a t u s a n d p r o s p e c t o f u l t r a s o n i c v i b r a t i o n s u r f a c e s t r e n g t h e n i n g t e c h n o l o g yZHANG Biao,WANG Xiao-qiang

6、,TIAN Ying-jian,WANG Hao-jie,FU Hao-ran,CAO Li-ru(School of Mechanical Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China)A b s t r a c t:The principle of workpiece surface strengthening by ultrasonic vibration rolling technology was described,the research statas of surface

7、strengthening by ultrasonic vibration rolling technology was simmarized,and the development direction of surface strengthening re-search by ultrasonic vibration rolling technology at the present stage was indicated.According to the research idea for the ultrasonic vibra-tion rolling technology,the u

8、ltrasonic vibration shot peening technology was discussed.The strengthening principle and researches status of composite process of ultrasonic vibration surface strengthening and other technologies were introduced.The development direction of ultra-sonic vibration surface strengthening technology wa

9、s prospected,including green and sustainable development,the combination of ultrasonic strengthening with other technologies,and the establishment of database between process parameters and strengthening effect.The current re-searches on ultrasonic vibration strengthening technology and ultrasonic v

10、ibration composite strengthening technology were summarized.K e y w o r d s:surface strengthening;ultrasonic rolling;ultrasonic shot peening;ultrasonic vibration composite strengthening technology 引 言材 料 的 表 层 性 能 主 要 包 含 以 下 两 个 方 面:一 是材 料 的 缺 陷,主 要 指 材 料 的 表 面 粗 糙 度 和 裂 纹 及 凹痕 等;二 是 材 料 的 显 微 组 织、

11、表 层 硬 度 和 残 余 应 力等。随 着 技 术 的 发 展,工 件 的 使 用 朝 着 更 高 精 度、更 长 使 用 寿 命 和 更 高 疲 劳 强 度 的 方 向 发 展,但 传 统的 机 械 表 层 强 化 工 艺(如 滚 压1和 喷 丸2)会 对 工件 产 生 一 定 强 化 效 果,但 存 在 局 限 性,如 达 不 到 表面 粗 糙 度 和 硬 度 要 求,甚 至 可 能 存 在 严 重 表 层 应 力变 形3,从 而 达 不 到 工 件 工 作 的 表 层 性 能 要 求。超声 振 动 表 层 强 化 技 术 将 超 声 振 动 引 入 传 统 表 层 强 化技 术,使 传

12、 统 表 层 强 化 技 术 获 得 规 律 的 振 动 冲 击,工 件 表 层 获 得 一 定 塑 性 变 形 以 达 到 强 化 工 件 表 层 性能 的 目 的。超 声 振 动 表 层 强 化 技 术 具 有 改 变 工 件 表层 硬 度 和 残 余 应 力、降 低 表 层 粗 糙 度、减 小 工 作 装置 与 工 件 的 摩 擦、延 长 工 件 的 使 用 寿 命 以 及 大 幅 提升 常 规 装 置 的 潜 力 等 优 点4-6。超 声 振 动 表 层 强 化 技 术 因 其 优 越 的 加 工 性 能 而 在机 械 工 业 中 得 到 广 泛 应 用,主 要 包 括 超 声 滚 压

13、、超 声喷 丸,并 且 将 超 声 振 动 表 层 强 化 技 术 与 其 他 特 种 加 工技 术 相 结 合,逐 渐 发 展 出 超 声 滚 压-激 光 脉 冲、超 声滚 压-电 火 花 沉 积 等 多 复 合 加 工 技 术。在 提 升 工 件 的表 层 性 能 方 面 解 决 了 许 多 关 键 问 题,取 得 了 良 好 的 效果,超 声 振 动 表 面 强 化 技 术 的 发 展 如 图 1 所 示。本 文 首 先 针 对 超 声 振 动 滚 压 技 术 和 超 声 振 动 喷丸 技 术 技 术 的 原 理 展 开 论 述,在 此 基 础 上 对 不 同 超声 强 化 表 层 工

14、艺 的 研 究 现 状 进 行 总 结,论 述 复 合 技术 对 工 件 表 层 的 强 化 机 理;针 对 超 声 振 动 表 层 强 化工 艺 与 非 传 统 工 艺 相 结 合 的 复 合 工 艺 展 开 论 述;最后 对 超 声 表 面 强 化 技 术 的 发 展 进 行 展 望。图 1 超 声 振 动 表 面 强 化 技 术 的 发 展Fig.1 Development of ultrasonic vibration surface strengthening technology1 超 声 振 动 强 化 技 术 研 究 现 状1.1 超 声 振 动 滚 压 技 术超 声 振 动

15、滚 压 技 术 是 一 种 将 传 统 滚 压 与 超 声 振动 技 术 相 结 合 的 复 合 加 工 工 艺,在 工 件 表 面 强 化 中得 到 了 广 泛 使 用。其 原 理 是 在 常 温 下 通 过 超 声 发 生装 置 给 予 滚 压 头 一 定 的 超 声 振 动,同 时 滚 压 头 给 予工 件 表 面 一 定 的 静 压 力,使 得 工 件 表 层 发 生 冷 作 硬化。由 于 超 声 振 动 的 存 在,滚 压 头 会 对 工 件 表 层 进行 连 续 冲 击,使 工 件 表 层 产 生 一 定 的 塑 性 变 形,从而 提 升 工 件 的 表 层 性 能。超 声 振 动

16、 滚 压 加 工 原 理 如图 2 所 示14,图 中 n 为 工 件 转 速,F 为 静 压 力,vf为 超 声 振 动 滚 压 头 进 给 速 度,A 为 振 幅。超 声 振 动 滚 压 技 术 对 工 件 表 层 性 能 影 响 的 研 究主 要 通 过 实 验 和 软 件 仿 真。两 种 研 究 方 法 均 是 针 对工 艺 参 数 与 工 件 表 层 强 化 效 果 之 间 的 关 系。众 多 学 者 研 究 并 证 明 了 超 声 振 动 滚 压 技 术 处 理后 工 件 表 层 性 能 远 远 优 于 传 统 滚 压 技 术。许 全 军等7使 用 超 声 振 动 滚 压 技 术

17、对 45 钢 加 工 后,发 现 工件 的 屈 服 强 度 提 高 了 83.3%,加 工 硬 化 指 数 降 低 了68.3%。柳 阳 等8在 合 金 表 层 添 加 一 层 Al2O3粉 末,经 过 超 声 滚 压 后,试 样 的 表 层 形 成 一 层 厚 度 约 为图 2 超 声 振 动 滚 压 加 工 原 理 示 意 图14Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic vibration rolling processing principle147 m 的 薄 膜,使 得 基 体 粗 糙 度 降 低 50%,硬 度 提高 98%。进 给 量 大 小 会

18、 影 响 工 件 的 表 层 硬 度。王 晓 强等9使 用 Defrom-2D 软 件 建 立 了 轴 承 套 圈 的 仿 真 模型,针 对 进 给 量 对 工 件 表 层 性 能 进 行 了 研 究,如 图3 所 示,发 现 进 给 量 越 大,硬 化 层 深 度 越 薄,从 而降 低 了 工 件 表 层 硬 度。进 给 速 度 也 会 对 工 件 的 表 层 粗 糙 度 产 生 影 响。SATTARI S 等10使 用 超 声 振 动 滚 压 对 Al-3vol%SiC7 1 第 2 期 张 彪 等:超 声 振 动 表 层 强 化 技 术 研 究 现 状 及 展 望图 3 超 声 振 动

19、滚 压 加 工 进 给 量 对 表 层 硬 度 的 影 响9Fig.3 Influence of ultrasonic vibration rolling processing feeding amount on surface hardness9材 料 进 行 表 面 强 化 时 发 现,降 低 进 给 量 可 提 高 工 件的 表 层 粗 糙 度 和 提 升 表 层 硬 度。王 晓 强 等11使 用Deform 有 限 元 软 件 对 42CrMo 材 料 进 行 了 超 声 振 动滚 压 研 究,发 现 表 面 粗 糙 度 随 着 进 给 量 增 大 而 提 高,如 图 4 所 示。图

20、4 超 声 振 动 滚 压 加 工 进 给 量 对 粗 糙 度 的 影 响11Fig.4 Effect of ultrasonic vibration rolling processing feeding amount on roughness11进 给 量 影 响 硬 化 层 厚 度,硬 化 层 厚 度 又 对 表 层残 余 应 力 存 在 影 响。WU D 等12使 用 超 声 振 动 滚 压对 航 空 发 动 机 叶 片 的 表 层 性 能 进 行 了 研 究,发 现 超声 振 动 滚 压 后 工 件 的 表 层 残 余 应 力 随 着 硬 化 层 厚 度的 增 加 而 减 小。进 给

21、量 大,工 件 表 面 受 到 的 冲 击 和挤 压 不 均 匀,甚 至 出 现 加 工 跳 跃,致 使 工 件 表 层 材料 变 形 不 均 匀、不 充 分,加 工 硬 化 部 分 材 料 出 现 硬度 和 粗 糙 度 的 增 加。静 压 力 大 小 也 会 影 响 工 件 侧 表 层 残 余 应 力。BOZDANA A T 等13对 Ti-6Al-4V 薄 壁 工 件 实 施 了多 种 表 面 强 化 技 术,发 现 相 对 于 传 统 滚 压 技 术,超声 滚 压 技 术 采 取 低 静 压 力 即 可 对 工 件 表 层 完 成 塑 性变 形。焦 锋 等14使 用 ANSYS 软 件

22、对 12Cr2Ni4A 齿轮 钢 外 圆 建 立 了 有 限 元 模 型,发 现 随 着 超 声 振 动 滚压 加 工 静 压 力 的 增 大,工 件 表 层 的 残 余 压 应 力 也 呈正 比 增 大,如 图 5 所 示。ZHANG Y L 等15通 过 调整 静 压 力 的 大 小 对 工 件 进 行 超 声 振 动 滚 压 实 验,发现 随 着 超 声 振 动 滚 压 静 压 力 的 增 大,工 件 表 层 的 粗糙 度 逐 步 降 低,如 图 6 所 示。静 压 力 的 增 加 会 增 大工 件 表 层 的 塑 性 应 变 能、塑 性 变 形 长 度、晶 粒 细 化程 度 以 及 位

23、 错 密 度,使 得 工 件 表 层 形 成 致 密 的 残 余应 力 层。图 5 超 声 振 动 滚 压 加 工 静 压 力 对 残 余 应 力 的 影 响14Fig.5 Effect of static pressure of ultrasonic vibration rolling processing on residual stress14部 分 学 者 进 行 了 超 声 振 动 滚 压 技 术 对 工 件 疲 劳性 能 和 使 用 寿 命 的 影 响 研 究。马 梦 阳 等16使 用 超 声滚 压 技 术 对 C53 钢 材 料 的 接 触 疲 劳 性 能 进 行 了 研究,发

24、现 经 过 超 声 滚 压 加 工,C53 钢 的 表 层 各 方 面性 能 均 得 到 一 定 程 度 的 提 升,表 层 硬 度 提 升 了77.7 HV,表 层 残 余 压 应 力 提 升-1109.8 MPa;同 时发 现,针 对 C53 钢 材 料,当 静 压 力 为 600 N 时,该 材 料 的 抗 疲 劳 性 能 提 升 最 显 著。孙 鑫 等17对A100 钢 螺 纹 在 超 声 振 动 滚 压 后 的 牙 根 部 分 的 表 层性 能 进 行 了 研 究,发 现 表 层 残 余 应 力 提 升 了 70%,表 层 硬 度 提 高 了 14%,表 层 粗 糙 度 降 低 了

25、51%,在600 MPa 的 应 力 条 件 下,螺 栓 的 使 用 寿 命 提 高 5 倍。超 声 滚 压 技 术 对 工 件 的 表 层 强 化,主 要 是 对 工件 表 层 的 微 观 重 塑。工 件 表 层 受 到 均 匀 冲 击,在 一定 程 度 上 纠 正 晶 粒 的 位 错 且 产 生 明 显 晶 界。在 连 续的 冲 击 作 用 下,可 以 增 加 表 层 的 残 余 应 力,改 变 表层 硬 度,压 平 表 层 凸 起 峰,填 满 表 层 凹 谷。采 用 超 声 振 动 滚 压 表 面 强 化 技 术 可 以 对 多 种 塑性 材 料 展 开 表 面 强 化 工 作,对 于

26、薄 壁 工 件 具 有 适 用性。但 针 对 硬 脆 性 材 料 的 研 究 较 少。科 研 人 员 可 针对 不 同 硬 脆 性 材 料 的 表 层 强 化 展 开 一 定 研 究。1.2 超 声 振 动 喷 丸 技 术超 声 振 动 喷 丸 是 一 种 将 传 统 喷 丸 与 超 声 技 术 结合 的 复 合 表 面 强 化 工 艺,是 材 料 表 层 性 能 提 升 的 一个 新 研 究 方 向。超 声 振 动 喷 丸 的 原 理 为 将 撞 针 或 喷8 1 塑 性 工 程 学 报 第 30 卷图 6 静 压 力 对 表 面 微 观 组 织 的 强 化15(a)600 N(b)800

27、N(c)1000 N(d)1200 NFig.6 Strengthen of static pressure on surface microstructure15丸 室 里 的 喷 丸 与 超 声 振 动 工 作 装 置 相 连 接,通 过 超声 振 动 工 作 装 置 上 的 撞 针 或 喷 丸 对 工 件 表 层 进 行 连续 撞 击,使 得 工 件 表 层 产 生 塑 性 变 形18-20,如 图 7所 示21。超 声 喷 丸 可 使 工 件 表 层 的 微 观 组 织 发 生 一定 改 变,以 降 低 工 件 的 表 层 粗 糙 度,提 升 表 层 硬 度,提 升 表 层 残 余 应

28、 力,并 且 具 有 喷 丸 后 工 件 的 表 层 残余 应 力 可 以 提 高 裂 纹 闭 合 效 应 等 实 用 强 化 工 件 表 层性 能 优 点22。ZHANG Q 等23和 刘 辉 等24通 过 开 展 超 声 振 动喷 丸(Ultrasonic Shot Peening,USP)与 传 统 喷 丸(Conventional Shot Peening,CSP)的 对 比 实 验,验证 了 超 声 振 动 喷 丸 技 术 优 于 传 统 喷 丸 技 术。ZHANG Q 等23发 现 在 相 同 的 工 艺 参 数 下,CSP 处 理 比 USP处 理 的 表 面 粗 糙 度 更 高

29、,表 面 缺 陷 更 多,表 面 和 最大 残 余 压 应 力 更 高。相 比 之 下,CSP 处 理 样 品 的CRS 深 度 相 对 较 低,如 图 8 所 示。刘 辉 等24发 现 在两 种 喷 丸 工 艺 参 数 相 同 时,超 声 振 动 喷 丸 残 余 应 力的 深 度 达 到 0.16 m,传 统 喷 丸 只 有 0.08 m,且图 7 超 声 喷 丸 加 工 原 理 示 意 图21Fig.7 Schematic diagram of ultrasonic shot peening21超 声 喷 丸 后 试 样 的 表 层 粗 糙 度 比 传 统 喷 丸 低。9 1 第 2 期

30、张 彪 等:超 声 振 动 表 层 强 化 技 术 研 究 现 状 及 展 望图 8 超 声 喷 丸 与 传 统 喷 丸 处 理 后 工 件 表 层 微 观 组 织23(a)传 统 喷 丸 后 阿 尔 门 高 度 达 到 0.2(b)传 统 喷 丸 后 阿 尔 门 高 度 达 到 0.3(c)超 声 喷 丸 后 阿 尔 门 高 度 达 到 0.2(d)超 声 喷 丸 后 阿 尔 门 高 度 达 到 0.3Fig.8 Surface microstructure of workpiece after ultrasonic shot peening and traditional shot pee

31、ning23(a)Almen height reaches 0.2 after traditional shot peening(b)Almen height reaches 0.3 after traditional shot peening(c)Almen height reaches 0.2 after ultrasonic shot peening(d)Almen height reaches 0.3 after ultrasonic shot peening喷 丸 时 间 对 表 层 粗 糙 度 产 生 影 响。FENG Y等25采 用 超 声 喷 丸 对 不 同 粗 糙 度 的 S

32、355 钢 试 样 进行 实 验,发 现 超 声 喷 丸 后 对 试 样 引 入 了 折 叠 缺 陷,超 声 喷 丸 时 间 和 试 样 表 层 粗 糙 度 决 定 了 试 样 折 叠 缺陷 的 程 度。经 过 优 化 超 声 喷 丸 工 艺 后,试 样 的 疲 劳寿 命 是 未 超 声 喷 丸 试 样 的 两 倍。过 长 的 加 工 时 间 又会 使 得 试 样 的 疲 劳 寿 命 降 低,甚 至 低 于 未 超 声 喷 丸试 样。KUMAR P 等26发 现 超 声 喷 丸 持 持 续 时 间 超过 30 s 会 导 致 耐 蚀 性 恶 化,这 是 由 于 过 度 塑 性 变 形导 致 粗

33、 糙 度 增 加 和 局 部 开 裂。针 对 不 同 的 材 料,适宜 的 喷 丸 时 间 并 不 相 同,过 短 或 过 长 的 喷 丸 时 间 都可 能 导 致 工 件 表 层 强 化 效 果 甚 微。喷 丸 热 处 理 对 工 件 表 层 性 能 产 生 影 响。张 聪 慧等27使 用 超 声 喷 丸 技 术 对 350 不 同 时 长 下 的 TC4展 开 了 研 究,结 果 表 明,随 着 热 处 理 时 间 的 增 加,工 件 的 表 层 残 余 应 力 逐 渐 减 小,但 过 长 的 热 处 理 时长 会 使 工 件 表 层 产 生 多 源 裂 纹。喷 丸 数 量 会 影 响 表

34、 层 强 化 效 果。ROUSSEAU T等28对 INCONEL 690 试 样 进 行 超 声 振 动 喷 丸 时 发现 丸 粒 数 量 对 试 样 被 强 化 深 度 及 残 余 应 力 的 影 响 较大,丸 粒 数 量 与 试 样 的 表 层 性 能 呈 现 正 比。喷 丸 强 度 对 工 件 表 层 性 能 产 生 影 响。XU Q等29采 用 不 同 强 度 的 喷 丸 对 TC2 材 料 加 工,发 现 喷丸 强 度 越 大,工 件 表 层 的 粗 糙 度 越 高,表 层 硬 度 越高,如 图 9 所 示。图 9 喷 丸 强 度 对 表 层 硬 度 的 影 响29Fig.9 Ef

35、fect of shot peening strength on surface hardness29ZHU L 等30采 用 超 声 喷 丸 方 法 在 纯 钛 表 面 制 备了 纳 米 晶 体-非 晶 体 混 合 层,发 现 纳 米 晶 体-非 晶 体混 合 层 中 的 非 晶 化 率 随 着 喷 丸 时 间、喷 丸 直 径 和 超0 2 塑 性 工 程 学 报 第 30 卷声 电 极 振 幅 的 增 加 或 喷 丸 距 离 的 减 小 而 不 断 增 加。实 现 的 最 大 非 晶 化 率 为 44.09%。随 着 非 晶 化 率 的增 加,表 面 硬 度 不 断 增 加。VASYLYE

36、V M A 等31在 空 气 中 对 Ti6Al4V 材 料进 行 了 超 声 喷 丸 工 艺,发 现 一 层 厚 度 约 为 12 m 的非 晶 态 混 合 物 氧 化 层,氧 化 层 厚 度 随 着 时 间 增 加 在一 定 程 度 上 提 高 了 试 样 的 表 层 性 能。YIN F 等32-33采 用 超 声 振 动 喷 丸 工 艺 在 纯 铜 表 面 成 功 制 备 了 厚 度约 为 70 m 的 纳 米 晶 表 面,发 现 表 层 硬 度 比 粗 晶 材料 提 高 了 30%,强 化 表 面 层 的 厚 度 约 为 400 m,并对 纯 铜 表 面 纳 米 化 过 程 中 的 喷

37、 丸 速 度 进 行 了 测 量 和统 计 分 析,对 超 声 喷 丸 过 程 中 的 恢 复 系 数 进 行 了 数学 标 定,如 图 10 所 示33。研 究 结 果 表 明,超 声 喷丸 冲 击 速 度 服 从 统 计 分 布,得 到 纯 铜 表 面 纳 米 化 过程 中 回 复 系 数 与 冲 击 速 度 之 间 的 关 系 式。图 10 超 声 喷 丸 冲 击 速 度 对 恢 复 系 数 影 响33Fig.10 Influence of ultrasonic shot peening impact velocity on recovery coefficient33超 声 振 动 喷

38、 丸 对 工 件 表 层 的 微 观 形 变 影 响 主 要表 现 为 超 声 振 动 喷 丸 引 起 强 化 层 晶 粒 的 位 错 密 度 增加 且 导 致 晶 体 沿 着 滑 移 面 排 列,位 错 会 引 起 晶 体 滑移 和 变 形 孪 晶,而 孪 晶 和 位 错 的 倍 增 又 导 致 晶 体 破裂。在 持 续 的 表 层 振 动 冲 击 下,工 件 的 表 层 硬 度 得到 提 升,粗 糙 度 降 低。晶 粒 细 化 和 硬 度 增 加 可 以 防止 裂 纹 的 萌 生。超 声 振 动 喷 丸 技 术 可 以 提 升 工 件 的表 层 残 余 应 力,残 余 应 力 可 延 缓

39、工 件 表 层 微 裂 纹 的扩 大。故 超 声 振 动 喷 丸 技 术 可 以 有 效 延 缓 裂 纹 萌 生并 降 低 裂 纹 扩 展 速 度。超 声 振 动 喷 丸 技 术 对 大 多 数 材 料 均 具 有 适 用 性,但 在 目 前 的 研 究 中,超 声 振 动 喷 丸 工 艺 参 数 的 优 化仍 然 具 有 很 大 的 研 究 空 间,如 针 对 工 艺 参 数 与 强 化效 果 的 优 化 关 系,对 工 件 表 层 性 能(如 表 层 硬 度、表 层 残 余 应 力、表 层 粗 糙 度 等)与 表 层 纳 米 化 之 间的 关 系 等。2 超 声 振 动 复 合 技 术 研

40、 究 现 状2.1 激 光 脉 冲-超 声 滚 压 复 合 技 术激 光 脉 冲-超 声 滚 压 复 合 工 艺 为 先 通 过 激 光 脉冲 技 术 对 工 件 表 层 进 行 等 离 子 体 冲 击,使 得 表 层 材料 发 生 晶 体 缺 陷 以 达 到 细 化 晶 粒 目 的,再 对 工 件 表层 进 行 超 声 滚 压 技 术,再 次 诱 导 工 件 表 层 材 料 发 生晶 粒 细 化,强 化 工 件 的 表 层 性 能。鲁 金 忠 等34采 用 激 光 脉 冲-超 声 滚 压 复 合 技 术对 AZ91D 的 表 层 性 能 展 开 了 研 究,发 现 经 过 复 合 工艺 后

41、工 件 表 面 粗 糙 度 的 波 峰 高 度 差 由 1.427 m 降低 到 0.664 m,且 使 用 激 光 脉 冲-超 声 滚 压 复 合 工艺 将 表 层 残 余 应 力 提 高 了 64.5%。激 光 脉 冲-超 声 滚 压 复 合 工 艺 可 以 突 破 激 光 脉冲 工 艺 对 工 件 的 塑 性 变 形 饱 和,给 予 工 件 表 层 更 大的 残 余 应 力,延 缓 工 件 表 层 裂 痕 的 裂 开 速 度。而 激光 冲 击 使 工 件 的 表 层 粗 糙 度 增 大,经 过 超 声 滚 压 技术,工 件 的 粗 糙 度 低 于 未 加 工 工 件 的 表 层 粗 糙

42、度,这 是 由 于 激 光 冲 击 对 工 件 表 层 造 成 的“峰”和“谷”,被 超 声 滚 压 技 术 将“峰”挤 压 到“谷”,做到 平“峰”填“谷”。2.2 超 声 滚 压-脉 冲 电 流 复 合 技 术超 声 滚 压-脉 冲 电 流 复 合 技 术 的 原 理 是 在 超 声滚 压 技 术 对 工 件 进 行 工 作 时,将 脉 冲 电 流 的 电 刷 与工 件 接 触,使 得 形 成 闭 合 回 路。硬 度 较 高 材 料 的 表层 存 在 塑 性 变 形 困 难,使 用 超 声 针 对 滚 压 技 术 时,将 难 以 达 到 预 期 表 层 强 化 效 果。高 能 脉 冲 电

43、流 对 工件 工 作 时,由 于 电 致 塑 性 效 应,可 使 表 层 发 生 位 错,配 合 超 声 振 动 滚 压 技 术 对 工 件 表 层 的 连 续 冲 击,即可 对 硬 性 材 料 表 层 进 行 一 定 程 度 的 优 化。WANG H 等35采 用 超 声 滚 压-脉 冲 电 流 复 合 技术 对 304 不 锈 钢 展 开 研 究,发 现 脉 冲 电 流 有 利 于 工件 表 层 的 纹 愈 合,并 且 耦 合 技 术 可 改 变 表 层 显 微 硬度 分 布。张 硕 等36使 用 超 声 滚 压-脉 冲 电 流 复 合 技术 对 淬 火 态 GCrl5 钢 进 行 了 表

44、 层 材 料 强 化 处 理,发现 此 耦 合 工 艺 可 愈 合 试 样 表 层 微 裂 纹,复 合 工 艺 后的 工 件 硬 度 达 到 720 HV,表 层 粗 糙 度 达 到0.23 m,并 且 对 比 超 声 滚 压 工 艺,超 声 滚 压-脉 冲电 流 复 合 工 艺 将 硬 化 层 深 度 提 高 了 100 m。在 较 低 的 脉 冲 电 流 密 度 下,表 层 会 产 生 比 超 声振 动 滚 压 作 用 的 晶 粒 更 小 的 超 细 晶 粒。随 着 脉 冲 电流 密 度 的 增 加,超 细 晶 粒 开 始 长 大,使 得 表 层 硬 度下 降。但 超 声 滚 压 的 持

45、续 工 作,又 可 提 升 工 件 表 层1 2 第 2 期 张 彪 等:超 声 振 动 表 层 强 化 技 术 研 究 现 状 及 展 望硬 度,加 深 硬 化 层 深 度。2.3 电 火 花 沉 积-超 声 滚 压 复 合 技 术电 火 花 沉 积-超 声 滚 压 复 合 技 术 的 原 理 为 先 使用 电 火 花 沉 积 技 术 对 工 件 的 损 伤 部 位 实 施 增 材 修 复且 根 据 工 件 的 实 际 情 况 留 出 一 定 的 加 工 余 量;再 使用 合 适 的 减 材 技 术,使 工 件 的 修 复 层 满 足 原 零 件 的形 状 和 尺 寸 要 求;最 后 使 用

46、 超 声 滚 压 技 术 对 修 复 层进 行 一 定 的 强 化,以 达 到 工 件 表 层 的 使 用 精 度 和 使用 强 度。中 国 人 民 解 放 军 陆 军 装 甲 兵 学 院37提 出 了 电 火花 沉 积-超 声 滚 压 复 合 技 术 方 法。该 技 术 在 电 火 花修 复 的 基 础 上,对 工 件 实 行 超 声 滚 压 技 术。通 过 超声 滚 压 技 术 对 工 件 表 层 进 行 反 复 滚 压 和 冲 击,使 工件 表 层 产 生 塑 性 变 形,强 化 了 工 件 表 层 性 能。2.4 超 声 振 动 滚 压-离 子 渗 氮 复 合 技 术超 声 滚 压-离

47、 子 渗 氮 复 合 技 术 的 原 理 为 先 对 工件 进 行 超 声 振 动 滚 压 作 预 处 理,再 实 施 渗 氮 处 理。先 对 工 件 实 施 超 声,滚 压 技 术 可 在 一 定 程 度 上 对 工件 的 表 层 性 能 做 出 改 变,并 且 改 变 工 件 的 渗 透 率 及渗 透 层 厚 度,达 到 表 层 强 化 目 的。向 文 华 等38采 用 超 声 滚 压-离 子 渗 氮 复 合 技 术对 316L 不 锈 钢 的 表 层 展 开 研 究,发 现 采 用 超 声 滚压-离 子 渗 氮 耦 合 后 试 样 的 摩 擦 因 数 相 较 直 接 渗 氮降 低 了 0

48、.04,表 层 硬 度 为 直 接 渗 氮 的 1.15 倍。ZHAO X H 等39在 试 样 经 过 超 声 滚 压 后,对 试 样 施行 高 能 离 子 渗 透 技 术,对 工 件 的 表 面 性 能 研 究 发 现,经 过 超 声 滚 压 后,试 样 的 渗 入 量 增 多,对 比 只 渗 透工 艺,试 样 硬 度 提 高 57.8%,渗 入 厚 度 提 高 100%。超 声 振 动 滚 压 后 试 样 的 表 层 晶 粒 呈 现 梯 度 纳米 结 构,这 为 离 子 渗 透 提 供 了 大 量 通 道,致 使 渗透 层 厚 度 增 加。两 种 技 术 相 叠 加,起 到 大 幅 提

49、高工 件 的 表 层 硬 度 和 残 余 应 力、降 低 表 层 粗 糙 度 的作 用。2.5 电 火 花 加 工-超 声 喷 丸 复 合 技 术电 火 花 加 工 的 原 理 是 在 两 个 放 电 电 极 之 间 产 生高 温 高 压,使 工 件 表 面 的 金 属 迅 速 熔 化,工 件 的 表层 变 性 层 为 重 铸 层,再 使 用 超 声 振 动 喷 丸 技 术 对 重铸 层 进 行 机 械 表 层 强 化。SI C 等40采 用 超 声 喷 丸 对 电 火 花 加 工 后 产 生的 重 铸 层 进 行 了 表 面 修 复 和 强 化,研 究 发 现 复 合技 术 处 理 后 表

50、层 性 能 与 基 材 相 比,重 铸 层 具 有 更好 的 耐 腐 蚀 性 能,USP 可 以 进 一 步 强 化 耐 腐 蚀 性。电 火 花 处 理 后,工 件 的 重 铸 层 和 下 面 TC4 合 金 的晶 粒 尺 寸 都 被 细 化,细 化 区 的 深 度 将 随 着 USP 时间 的 增 加 而 增 加,经 过 晶 粒 细 化 工 件 表 层 耐 腐 蚀性 得 以 提 高。电 火 花 技 术 对 工 件 的 加 工 使 得 重 铸 层 的 晶 粒 得到 第 一 步 细 化,且 重 铸 层 厚 度 有 限,再 使 用 超 声 振动 喷 丸 技 术 后,工 件 重 铸 层 得 到 进