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(jiàn)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(shí)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(jī)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(guò)沖擊、壓延、激光束等對(duì)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(diǎn)包括采用常規(guī)機(jī)械處理方法，易實(shí)現(xiàn)；晶體尺寸及性能梯度變化，無(wú)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(jī)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(lái)改善疲勞及腐蝕性能，在表征過(guò)程中發(fā)現(xiàn)表面會(huì)生成納米晶，超聲沖擊表面納米化技術(shù)成為研究熱點(diǎn)之一。采用該技術(shù)對(duì)各類材料進(jìn)行表面改性處理，經(jīng)過(guò)10多年的研究已有大量積累。本文對(duì)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(guó)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(guó)Designmecha公司及中國(guó)Huawin公司。國(guó)內(nèi)對(duì)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(zhǎng)沙理工大學(xué)、南通大學(xué)等。國(guó)外開(kāi)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(dòng)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(wàn)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(jī)械臂。實(shí)際處理時(shí)，沖擊頭對(duì)金屬表面接觸區(qū)域施加正弦波動(dòng)荷載。若輔助空壓機(jī)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(qiáng)度工具鋼，表面覆蓋碳化鎢膜。超聲沖擊表面處理實(shí)施過(guò)程中，還采用高壓空氣冷卻降溫和煤油輔助潤(rùn)滑。因?yàn)槭菣C(jī)械處理方式，表面光潔度和平整度成為該技術(shù)實(shí)施過(guò)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(jī)理主要包括位錯(cuò)、孿晶或兩者共同作用。影響該機(jī)制的因素有層錯(cuò)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(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等機(jī)械性能在超聲沖擊表面改性后通?？梢缘玫矫黠@改善或提升，而彈性模量和泊松比因納米晶的存在反而會(huì)輕微下降。以圓棒材料為例，單位面積沖擊次數(shù)計(jì)算方法見(jiàn)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(jī)械性能的改變，因此針對(duì)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(jī)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(lái)代替[5]。在不引入靜荷載的情況下，對(duì)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(cè)試技術(shù)，由表面開(kāi)始做小步長(zhǎng)細(xì)掃（步長(zhǎng)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(shuō)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(duì)金相試樣觀察的結(jié)果一致[6]。這表明僅依靠正弦振動(dòng)荷載即可在金屬表面獲得一定深度的納米晶層。

對(duì)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(huì)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(guò)程中伴隨著馬氏體相變，疲勞強(qiáng)度會(huì)有大幅提升。但對(duì)于超聲沖擊過(guò)程中無(wú)明顯相變的材料，經(jīng)統(tǒng)計(jì)其疲勞強(qiáng)度基本在[0.50σb，0.65σb]區(qū)間內(nèi)[4]。對(duì)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(qiáng)度同時(shí)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(guò)顯微觀察，納米晶層厚度（強(qiáng)塑性變形層）隨靜荷載的增加有明顯增大，說(shuō)明較大的靜荷載提供的應(yīng)力場(chǎng)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(huì)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(shí)，沖擊次數(shù)N計(jì)算考慮以下幾個(gè)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(jì)算公式如式（1）所示。

試驗(yàn)表明，車床處理中回刀會(huì)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(guò)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(duì)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(jī)械性能的對(duì)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(yàn)裂紋萌生機(jī)制時(shí)，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(qiáng)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(jiàn)，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(huì)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(shí)，不能完美覆蓋上一圈塑性變形擠出的凸出部分，整體上無(wú)明顯規(guī)律，也無(wú)明顯斜向或縱橫向微裂紋。較小的沖擊頭更易對(duì)金屬表面進(jìn)行塑形控制。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)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(chǎng)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(jī)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(duì)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(shí)，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(huì)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(duì)處理后的金屬表面形貌有一定影響[13–14]，但文獻(xiàn)中未對(duì)振幅單獨(dú)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(qiáng)度。沖擊過(guò)程中試樣表面的溫度控制同樣會(huì)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(shí)，粘滯摩擦易破壞表面形貌。

微觀結(jié)構(gòu)的影響

研究者對(duì)機(jī)械方式誘導(dǎo)表面納米化機(jī)制進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。晶粒逐漸細(xì)化形成納米晶的機(jī)理主要是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和機(jī)械孿生。材料的層錯(cuò)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(duì)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(cuò)能決定了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難易。通常對(duì)含這兩種結(jié)構(gòu)的材料，層錯(cuò)能越高，其塑性變形主要是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，反之則為孿晶方式。對(duì)于密排六方金屬、機(jī)械孿生和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)常常相伴發(fā)生。如前文所述，對(duì)于非穩(wěn)定相，塑性變形過(guò)程中會(huì)同時(shí)誘發(fā)相變。如奧氏體不銹鋼在表面超聲沖擊時(shí)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(qiáng)度更高，疲勞強(qiáng)度明顯提高（可超過(guò)母材拉伸強(qiáng)度），表面硬度也大幅提高?；瘜W(xué)元素和熱處理溫度均會(huì)影響材料最終的顯微結(jié)構(gòu)，因此對(duì)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(dòng)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(qiáng)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(qiáng)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(duì)金屬材料超聲表面沖擊后的效果不統(tǒng)一，針對(duì)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(duì)超聲沖擊生成納米晶的機(jī)理已開(kāi)展了相當(dāng)?shù)难芯?。但新材料不斷涌現(xiàn)，仍需要繼續(xù)對(duì)超聲沖擊處理后各種材料的性能進(jìn)行研究。實(shí)際操作中已利用四軸聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)處理平面構(gòu)件，未來(lái)還可開(kāi)發(fā)表面自適應(yīng)沖擊裝置處理復(fù)雜表面，甚至是對(duì)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。