航空航天領(lǐng)域的高端裝備加工構(gòu)件存在的服役壽命較短、可靠性較差等問(wèn)題一直制約我國(guó)高端制造業(yè)的發(fā)展[1]。鈦合金作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵承力構(gòu)件的主要材料，具有比強(qiáng)度高、密度低、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[2,3]。其固有疲勞強(qiáng)度可觀但對(duì)于應(yīng)力集中敏感，成形加工中的表面損傷和殘余拉應(yīng)力是破壞其疲勞性能的主要問(wèn)題[3]。常見的鈦合金表面強(qiáng)化工藝有表面涂層[4]、噴丸[5]、滲氮滲碳[4]、激光沖擊[6]等等。其中，滲氮滲碳工藝強(qiáng)化的工件表面存在過(guò)度層脆化的風(fēng)險(xiǎn)[7]，涂層工藝在高溫高應(yīng)力條件下存在開裂和剝落風(fēng)險(xiǎn)[8]，激光沖擊作用機(jī)理和其參數(shù)的選擇存在不確定性[9]。噴丸被當(dāng)作一種標(biāo)準(zhǔn)的后處理工序被應(yīng)用在很多鈦合金航空部件中，但噴丸構(gòu)件有著較差的表面粗糙度和難以避免表面畸變，且噴丸的表面塑性變形層較淺不利于疲勞[10]。因此涌現(xiàn)了改進(jìn)后的激光噴丸[11]、濕噴丸[12]和超聲噴丸[13]等技術(shù)。然而，這些改進(jìn)的噴丸技術(shù)仍存在強(qiáng)化均勻性差的問(wèn)題，學(xué)者們通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化、多道次噴丸嘗試解決這一問(wèn)題，起到了一定效果但仍存在應(yīng)用場(chǎng)景的限制[13,10]。超聲滾壓將超聲波與滾動(dòng)過(guò)程相結(jié)合使材料在壓力的作用下發(fā)生塑性變形和冷作，以改善表面的性能[14]，然而，其難以應(yīng)用于復(fù)雜形狀工件且滾壓過(guò)程帶來(lái)的變形方向與進(jìn)給方向是一致的，這對(duì)一些需要更加均勻形變的場(chǎng)景是不適用的。
超聲沖擊強(qiáng)化通過(guò)對(duì)加工表面進(jìn)行重復(fù)高頻沖擊，并在單次沖擊時(shí)移動(dòng)，可獲得均勻的表面結(jié)構(gòu)狀態(tài)、好的表面硬度和粗糙度[15]。超聲沖擊技術(shù)經(jīng)過(guò)證實(shí)可以誘導(dǎo)TC4工件表面產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力以彌合表面的微孔[16]，從而提高表面質(zhì)量和疲勞性能。此外，超聲沖擊強(qiáng)化相較于噴丸強(qiáng)化加工效率顯著提升[15]，強(qiáng)化均勻性好，應(yīng)用前景可觀。
學(xué)者們對(duì)鈦合金超聲沖擊強(qiáng)化開展了相關(guān)研究。曹小健等[17]對(duì)不同表面狀態(tài)的TC4鈦合金進(jìn)行表面超聲沖擊強(qiáng)化處理,強(qiáng)化后TC4表面產(chǎn)生強(qiáng)塑性變形層并提高了7%~10.7%的抗拉疲勞性能。
MORDYUK等人通過(guò)超聲沖擊處理粉末冶金TC4實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察其微觀結(jié)構(gòu)的演變模式，證明鈦合金硬度的增加與位錯(cuò)密度的增加有關(guān)[18]。應(yīng)用在焊接構(gòu)件方面的超聲沖擊強(qiáng)化方法也被廣泛研究，超聲沖擊憑借其減少焊接變形、提高焊接質(zhì)量的特性成為鈦合金焊接接頭的主要強(qiáng)化手段之一。劉德波等[16]采用超聲沖擊對(duì)鈦合金焊縫進(jìn)行處理，證明其使得工件表面生成強(qiáng)化層并將拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣膲簯?yīng)力。鄧海鵬等[19]以焊接接頭為對(duì)象，指出超聲沖擊在產(chǎn)生宏觀織構(gòu)和細(xì)化晶粒方面的益處和其對(duì)消除表面缺陷等方面的有利影響。張怡等[1]研究了焊接接頭在超聲沖擊后的疲勞壽命變化情況，超聲沖擊改變了試件表面晶界、引入壓應(yīng)力，顯著提高焊接接頭的疲勞壽命。黃麗婷等[20]應(yīng)用ABAQUS軟件模擬鈦合金的對(duì)接焊以及沖擊過(guò)程并證明隨著沖擊載荷的增加，殘余壓應(yīng)力幅值增大。然而，當(dāng)前超聲沖擊主要用于焊接連接處的強(qiáng)化，且沖擊頭多為球形滾子，針對(duì)切削表面的非滾動(dòng)工具頭研究較少。
本文重點(diǎn)關(guān)注強(qiáng)化前的表面加工狀態(tài)對(duì)超聲強(qiáng)化后表面質(zhì)量的影響，旨在為工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
本文以廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域的TC4鈦合金作為研究對(duì)象，分別對(duì)工件進(jìn)行銑削和超聲輔助銑削的前序處理，并對(duì)處理后的鈦合金工件進(jìn)行超聲沖擊強(qiáng)化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，從表面粗糙度、殘余應(yīng)力、硬度、顯微硬度以及塑性變形層深度等方面探究不同工藝下的表面狀態(tài)。最后將超聲沖擊與其他典型強(qiáng)化工藝進(jìn)行比較以說(shuō)明其作用效果。
1、試驗(yàn)及方法
1.1實(shí)驗(yàn)材料
本文超聲沖擊強(qiáng)化工藝研究對(duì)象為TC4(Ti-6Al-4V)，TC4的化學(xué)成分如表1所示，在室溫/高溫下的力學(xué)性能如表2所示。試件尺寸為50mm×50mm×9mm，將試件分為四個(gè)區(qū)域以進(jìn)行工藝對(duì)比來(lái)觀察不同前序工藝情況下超聲沖擊的作用效果，如表3。
1.2實(shí)驗(yàn)條件
1)機(jī)床：云南機(jī)床廠CY-VMC850加工中心
2)刀具：銑削采用ф6R3球刀（硬質(zhì)合金），超聲沖擊采用ф6R4工具頭（直徑為6毫米，且工具頭具有4毫米的圓角半徑，材質(zhì)為金剛石）
3)對(duì)兩組完全相同試件采用不同銑削參數(shù)以對(duì)比前序工藝對(duì)最終試件表面完整性的影響程度，銑削參數(shù)如表4，使用乳化液冷卻。
4)超聲輔助參數(shù)：
實(shí)驗(yàn)中，在設(shè)計(jì)和調(diào)試換能器階段，已對(duì)換能器在特定負(fù)載下的頻率與振幅進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，保證在實(shí)驗(yàn)最大載荷內(nèi)，所設(shè)計(jì)的換能器的諧振是穩(wěn)定的。此外，本文中的振動(dòng)頻率為超聲振動(dòng)輔助裝置的實(shí)時(shí)調(diào)頻模塊記錄，基本上保證振動(dòng)頻率和振幅穩(wěn)定。
超聲輔助銑削參數(shù)：設(shè)計(jì)振動(dòng)頻率33kHz，實(shí)際振動(dòng)頻率32.6kHz，振幅1.5μm。
超聲沖擊參數(shù)：設(shè)計(jì)振動(dòng)頻率為23kHz，實(shí)際振動(dòng)頻率22.8kHz，振幅1.5μm，進(jìn)給vf=200mm/min，切深ae=0.05mm（切深即為工具頭每次沖擊在垂直于試件表面方向上進(jìn)入工件的深度），步距fz=0.05mm（每一次超聲沖擊中相對(duì)于工件的步進(jìn)方向）。
1.3超聲沖擊方法和作用機(jī)理
超聲沖擊技術(shù)的工作原理是通過(guò)超聲波振動(dòng)器產(chǎn)生的高頻振動(dòng)、輔以工具頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將能量傳遞給工件表面，形成沖擊力和壓應(yīng)力[21]。超聲沖擊表面強(qiáng)化技術(shù)本質(zhì)與噴丸強(qiáng)化類似，通過(guò)均勻塑性變形引入較大殘余壓應(yīng)力、改善表面組織形態(tài)以達(dá)到表面強(qiáng)化的目的。在航空構(gòu)建制造中，這種壓縮應(yīng)力狀態(tài)可以抑制裂紋的擴(kuò)展，提高材料的疲勞壽命和抗應(yīng)力腐蝕性能。根據(jù)Hall-patch公式[22]：
式中，K為與材料本身相關(guān)的常數(shù)，與其泰勒因子正相關(guān)，d為晶粒的平均尺寸，H0為表征強(qiáng)度的常數(shù)，H則是材料的強(qiáng)度。Hall-patch公式指出材料的強(qiáng)度和晶粒的尺寸成反比，越小的晶粒大小意味著更大的材料強(qiáng)度。而超聲沖擊的強(qiáng)化機(jī)理則可以歸結(jié)于加工硬化和晶粒細(xì)化，在沖擊載荷和超聲的共同作用下，鈦合金表面的原始粗晶粒會(huì)轉(zhuǎn)化為細(xì)小晶粒甚至是納米晶粒。同時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)超聲頻率、沖擊深度等方式來(lái)控制最終的加工形變以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
同時(shí)，超聲振動(dòng)對(duì)材料的塑性形變影響也是復(fù)雜的。超聲沖擊過(guò)程中，材料產(chǎn)生與其他強(qiáng)化方法不同的塑性變形原因有：應(yīng)力疊加、振動(dòng)沖擊、超聲軟化和加工熱效應(yīng)。當(dāng)工具頭接觸到材料時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力疊加的現(xiàn)象，如圖1（a）所示，在這一過(guò)程中，工具頭因?yàn)樵诖怪痹嚰砻娣较蛏系闹芷谛苑蛛x和接觸，對(duì)材料產(chǎn)生振動(dòng)沖擊作用。此外，施加超聲振動(dòng)后，若動(dòng)態(tài)振蕩的谷底應(yīng)力趨于0MPa，則波形畸變接近脈沖波產(chǎn)生超聲沖擊，如圖1（b）所示。以上可被解釋為應(yīng)力疊加現(xiàn)象，其他引起變形的現(xiàn)象和應(yīng)力疊加共同作用時(shí)，材料的變形程度會(huì)更加顯著。
加工熱效應(yīng)則與材料表面的摩擦、刀具耕犁作用有關(guān)。超聲軟化則是指超聲波傳遞到材料中之后對(duì)材料表層微觀組織的改變最終造成材料力學(xué)性能降低的現(xiàn)象。較大的振幅會(huì)導(dǎo)致更加顯著的聲學(xué)軟化現(xiàn)象，但是這一軟化效應(yīng)是暫時(shí)的，只發(fā)聲在疊加振動(dòng)過(guò)程，一旦振動(dòng)停止材料就會(huì)產(chǎn)生永久硬化。這種永久硬化解釋了超聲沖擊對(duì)材料的強(qiáng)化作用。
1.4超聲沖擊設(shè)備
超聲沖擊設(shè)備（如圖2）主要由沖擊頭（或稱為工具頭）、超聲刀柄、主軸等組成，同時(shí)有超聲振動(dòng)輔助裝置用以調(diào)節(jié)振幅、頻率等。超聲振動(dòng)輔助裝置配合超聲刀柄產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，沖擊頭作為載體將機(jī)械振動(dòng)施加在試件表面，主軸移動(dòng)以完成對(duì)試件的均勻沖擊。
超聲沖擊作為一種強(qiáng)化技術(shù)，其作用對(duì)象一般是粗/精加工后的試件表面。故首先對(duì)試件進(jìn)行前序處理，分別用#1、#2工藝及A、B試件的銑削參數(shù)對(duì)試件進(jìn)行銑削加工，每個(gè)試件劃分兩個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行銑削和超聲輔助銑削兩項(xiàng)前序處理。
對(duì)于完成前序處理后的試件，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行沖擊，加工完成的試件如圖3，從加工表面宏觀形貌角度看，銑削加工面存在明顯的銑削刀齒痕跡，超聲銑削加工表面則存在顏色較暗的微刀痕。作為對(duì)比，超聲沖擊加工面看上去更加光滑，刀痕不顯著。
1.5測(cè)量方案和設(shè)備
在本次實(shí)驗(yàn)中，為了對(duì)比超聲沖擊強(qiáng)化工藝和銑削工藝對(duì)試件表面產(chǎn)生的影響，對(duì)表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力、表面硬度、加工面元素組成、顯微硬度以及加工表層顯微組織等進(jìn)行了檢測(cè)。考慮到銑削工藝以及超聲沖擊工藝在平行于試件表面的兩個(gè)方向（沿工件軸線方向的進(jìn)給方向以及每一次銑削/超聲沖擊中相對(duì)于工件的步進(jìn)方向）上的作用機(jī)制和效果存在差異，部分實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)量沿進(jìn)給方向和沿步進(jìn)方向的特征。
采用TR240便攜式粗糙度儀對(duì)試件加工面沿進(jìn)給和步進(jìn)方向進(jìn)行二維粗糙度Ra檢測(cè)。
采用AliconaInfiniteFocusG4全自動(dòng)掃描儀觀察加工面表面形貌。
采用PROTOLXRDMG2000殘余應(yīng)力測(cè)試分析系統(tǒng)沿進(jìn)給和步進(jìn)方向?qū)υ嚰堄鄳?yīng)力進(jìn)行測(cè)量，對(duì)超聲沖擊試件進(jìn)行腐蝕剝層，測(cè)量其不同深度殘余應(yīng)力情況。
采用WOLPERT430SVD數(shù)顯維氏硬度計(jì)對(duì)試件加工面進(jìn)行維氏硬度測(cè)量。
采用TESCANVEGA3LMU鎢燈絲掃描電鏡對(duì)試件加工面進(jìn)行X射線能譜分析，分析試件加工面元素組成。
將試件線切割成20mm×10mm×5mm試塊，將切割后裸露的橫截面依次進(jìn)行磨制和拋光處理，直至試樣表面光亮如鏡面、無(wú)劃痕。采用FUTURETECHFM-800型顯微硬度測(cè)試儀對(duì)拋光后金相試樣進(jìn)行顯微硬度場(chǎng)測(cè)量。
采用Kroll溶液(HNO3：HF：H2O=3：6：90，少許H2O2)對(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕，試樣清洗后，采用TESCANMIRA3掃描電子顯微鏡分別于2000、5000倍放大倍數(shù)下觀察試件加工面表層的顯微組織和塑性變形層的深度。
2、結(jié)果與討論
2.1表面粗糙度
表面粗糙度是評(píng)價(jià)航空構(gòu)件性能的指標(biāo)之一，鈦合金作為難加工材料，在刀具加工后往往容易產(chǎn)生劃痕、裂紋、加工刀痕等缺陷，且表面粗糙度較高。在外部載荷作用下，工件可能出現(xiàn)應(yīng)力顯著增大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中有可能誘發(fā)疲勞裂紋出現(xiàn)并最終影響試件服役壽命。Anwar[23]等人提出了鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度參數(shù)和應(yīng)力集中的關(guān)系：
式中，Kst為制造帶來(lái)的應(yīng)力集中系數(shù)，n則表示外部載荷的應(yīng)力狀態(tài)（剪切應(yīng)力，n=1；張力，n=2），ρ為缺口底部的平均曲率半徑，λ是表示不平度的比例系數(shù)，Ra為平均粗糙度，Ry為粗糙度曲線中波峰到波谷的最大值，Rz為微觀不平度十點(diǎn)高度。由此可見，越高的粗糙度值往往引起更嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而影響鈦合金試件的服役壽命，通過(guò)強(qiáng)化工藝降低試件表面粗糙度很有必要。
試件的四個(gè)不同工藝分區(qū)的粗糙度測(cè)量結(jié)果如圖4。對(duì)于銑削和超聲銑削工藝，同一加工參數(shù)下，高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給加工出的試件有著更低的粗糙度、更好的表面質(zhì)量。超聲銑削技術(shù)所引入的超聲振動(dòng)對(duì)于加工面的質(zhì)量有著積極的作用。作為對(duì)比，超聲沖擊以0.13-0.15μm的Ra粗糙度值優(yōu)于超聲銑削和銑削工藝（0.55~1.31），這是因?yàn)槌暃_擊強(qiáng)化工具頭不同于銑削加工所用的球刀，超聲沖擊過(guò)程中通過(guò)工具頭的連續(xù)穩(wěn)定擠壓，改善了銑削加工中的耕犁、刀具抖動(dòng)帶來(lái)的高粗糙度。由于超聲波的高頻率、高聚焦等特性，會(huì)使金屬表層產(chǎn)生壓塑性形變，這種形變較噴丸強(qiáng)化工藝更加均勻，這也使得不同粗糙度采樣區(qū)域的粗糙度值更加接近。且超聲沖擊強(qiáng)化在沿進(jìn)給和沿步進(jìn)方向的粗糙度值接近、不同區(qū)域粗糙度差值較小，避免了超聲銑削、銑削工藝中出現(xiàn)的沿進(jìn)給及步進(jìn)方向粗糙度不一致現(xiàn)象。
對(duì)不同工藝區(qū)的表面形貌進(jìn)行觀察（圖5），其表征與粗糙度結(jié)果一致。銑削加工后鈦合金表面存在均勻刀痕，這些刀痕引起加工表面高度不一致。
在刀痕低端容易產(chǎn)生應(yīng)力集中并導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生。作為對(duì)比，工藝區(qū)#3、#4則更加平滑，超聲沖擊促使材料表面產(chǎn)生塑性流動(dòng)從而掩蓋了高低不平的銑削刀痕，顯著減少了應(yīng)力集中系數(shù)從而提高試件服役性能。微觀形貌與粗糙度所體現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)是一致的。同時(shí)，從粗糙度角度，前序工藝的工藝參數(shù)對(duì)超聲銑削后的表面質(zhì)量無(wú)顯著影響，這證明超聲沖擊的的作用深度較大，覆蓋了銑削加工的影響范圍。
2.2表層殘余應(yīng)力
鈦合金會(huì)在外界作用下產(chǎn)生塑性變形，并在外力消失后仍存在內(nèi)部自相平衡的殘余應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力可以有效增加材料服役性能，在加工過(guò)程中引入殘余壓應(yīng)力對(duì)材料機(jī)械性能有利，不同加工工藝往往會(huì)引入截然不同的應(yīng)力情況。試件不同工藝區(qū)的殘余應(yīng)力值如圖6所示。
本文采用的四種工藝都使得試件表面產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，然而其影響程度存在較大差異。銑削過(guò)程中工件同時(shí)受到刀具摩擦、耕犁產(chǎn)生壓應(yīng)力和加工熱效應(yīng)引起塑性變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力，最終呈現(xiàn)較小的壓應(yīng)力值。超聲銑削的壓應(yīng)力值略大于銑削，因?yàn)槌曊駝?dòng)的引入減小了摩擦熱從而減少加工變形，拉應(yīng)力效應(yīng)變?nèi)酢３暃_擊過(guò)程中，工具頭不斷擠壓試件表面，垂直于工件的法向力使試件產(chǎn)生更加均勻的形變超聲沖擊，引入了更大的壓應(yīng)力值。本研究采取較大振幅，因此引入的殘余壓應(yīng)力值較大，最大可達(dá)到935MPa，是銑削引入殘余壓應(yīng)力值的235.3%。同時(shí)，對(duì)超聲沖擊影響材料表面殘余應(yīng)力的情況進(jìn)行研究，如圖7。
可以發(fā)現(xiàn)殘余壓應(yīng)力沿著加工表面呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。這與先前的超聲沖擊機(jī)理吻合，因?yàn)樵诠ぜ伪砻妫駝?dòng)軟化和熱效應(yīng)共同作用使得壓應(yīng)力松弛，而在距離加工表面約60μm時(shí)，應(yīng)力值達(dá)到最大。試件A、B的工藝區(qū)#3、#4殘余應(yīng)力值大小接近，基本不受前序工藝影響，可以看出超聲沖擊引入的殘余應(yīng)力較前序工藝更顯著，起到更加明顯的表面強(qiáng)化作用。
2.3加工表面元素構(gòu)成
試件表面的元素構(gòu)成對(duì)其耐磨、耐腐蝕性能都有影響，加工工藝引起的元素變化有利有弊。對(duì)超聲沖擊前后的加工面進(jìn)行元素分析，結(jié)果如表5。
可見超聲沖擊強(qiáng)化試件表面較銑削、超聲銑削工藝氧元素含量增多達(dá)到22.27%，加工過(guò)程中產(chǎn)生了更加劇烈的氧化效應(yīng)。可能的原因是超聲沖擊過(guò)程中工具頭高頻撞擊工件表面，使得表面快速升溫。在其他諸如銑削、磨削工藝中，大量熱量被切屑帶走，而超聲沖擊未形成切屑帶走熱量，易產(chǎn)生氧化。圖3中工藝區(qū)#3和#4產(chǎn)生的表面色彩變化可能也是由于氧化層引起。在工藝設(shè)計(jì)中，需要關(guān)注氧化現(xiàn)象的產(chǎn)生及優(yōu)化方法。
2.4表面硬度
試件不同工藝區(qū)的硬度測(cè)量結(jié)果如圖8。鈦合金TC4的維氏硬度經(jīng)測(cè)量為310HV。三種工藝都產(chǎn)生了不同情況的加工硬化。超聲銑削硬化率在8.1%~9.0%，銑削硬化率在4.2%~6.5%。銑削過(guò)程中，刀具的擠壓和熱效應(yīng)共同作用下硬化效果不明顯。
超聲銑削則憑借刀具的振動(dòng)降低了熱效應(yīng)，產(chǎn)生更加明顯的硬化。試件A的硬化情況弱于試件B，可見大轉(zhuǎn)速、進(jìn)給會(huì)產(chǎn)生更大的塑性應(yīng)變從而起到更強(qiáng)的硬化效果。超聲沖擊的硬化率在16.1%~20.7%，相較于以去除材料為目的的銑削工藝，超聲沖擊過(guò)程中工具頭的高頻率振動(dòng)和壓縮變形致使試件表層發(fā)生更大程度的硬化。因?yàn)殁伜辖鸩馁|(zhì)相較于其他航空材料有著較低的硬度，加工帶來(lái)的表面硬化會(huì)增加航空部件的耐高溫高壓、抗沖擊能力。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，超聲沖擊達(dá)到了強(qiáng)化的目的。超聲沖擊在工藝區(qū)#3的硬化率低于工藝區(qū)#4、在試件A的同一工藝區(qū)硬化率低于試件B，這與工藝區(qū)#1、#2的現(xiàn)象是一致的。前序工藝可以改變材料表層的微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，超聲沖擊在當(dāng)前參數(shù)下所起到的表層硬化效果和試件前序工藝所帶來(lái)的加工硬化是相關(guān)的。
2.5顯微硬度
試件不同工藝區(qū)的顯微硬度測(cè)量結(jié)果如圖9。本文中測(cè)得的TC4未加工面的顯微維氏硬度在310HV左右。對(duì)于銑削、超聲銑削工藝，10μm深度處的顯微硬度大于試件表面處，這是因?yàn)殂娤鬟^(guò)程的熱效應(yīng)在試件表面產(chǎn)生了軟化效應(yīng)，與其引起塑性變形的加工硬化共同作用導(dǎo)致。銑削、超聲銑削工藝的硬化層深度較淺為50~60μm，且其硬化率在8.2%~10.3%。超聲沖擊過(guò)程中，沖擊力帶來(lái)的晶粒細(xì)化和位錯(cuò)強(qiáng)化顯著提高了試件表層硬度，帶來(lái)了更加明顯的表面硬化層，其硬化層深度為120~130μm，最大硬化率在18.3%~20.6%。此外，前序銑削工藝對(duì)超聲沖擊后試件最表層的硬度（10μm以內(nèi)）有一定影響，更大轉(zhuǎn)速、進(jìn)給的前序銑削工藝也使得沖擊強(qiáng)化后的表層硬度更大。超聲沖擊引入的硬化效應(yīng)在整個(gè)加工表層中較為均勻和一致，而不僅僅局限于表面。從硬化層深度來(lái)看，超聲沖擊的高頻振動(dòng)和壓縮變形帶來(lái)的硬化效應(yīng)更加顯著、影響更深，故前序工藝及參數(shù)對(duì)硬化層深度基本無(wú)影響。
2.6塑性變形層深度
掃描電子顯微鏡（SEM）下觀測(cè)超聲沖擊加工后的加工面。銑削過(guò)程中銑削力、擠壓摩擦和加工熱都會(huì)促使試件表面顯微組織發(fā)生變化，而超聲沖擊過(guò)程中法向沖擊力和切向擠壓也會(huì)使得鈦合金顯微組織細(xì)化和變形。銑削加工面如圖10所示，可以看到銑削加工后，相較于深層組織，鈦合金試件表面組織出現(xiàn)塑性滑移，晶粒扭曲，但是變形層深度較淺（5μm以內(nèi)）。在5000倍電鏡下，銑削加工面存在凹凸不平。作為對(duì)比，超聲沖擊則很好的起到了“削峰填谷”作用（圖11），使得加工面相對(duì)于銑削工藝更加平整。同時(shí)，超聲沖擊試件中的鈦合金α相被擠壓、細(xì)化，沿著加工方向定向傾斜、塑性流動(dòng)，表層生成了更多的片狀β相組織。參照式1，表層更小的晶粒意味著更大的強(qiáng)度，與前文中觀察到的表面硬化現(xiàn)象吻合。超聲沖擊中多因素共同引起的塑性變形造成位錯(cuò)和晶界的畸變，增加位錯(cuò)密度和晶界面積，從而阻礙位錯(cuò)和晶粒的滑移，增加材料的強(qiáng)度和硬度。圖11中可見超聲沖擊強(qiáng)化后塑性變形層深度在15-20μm，塑性變形層中的晶粒細(xì)化會(huì)帶來(lái)試件強(qiáng)度和硬度的提高，該工藝起到了較好的表面強(qiáng)化作用。
3、與其他典型強(qiáng)化方法的對(duì)比
表面處理工藝旨在提高材料性能、改善表面質(zhì)量、延長(zhǎng)材料壽命。為了進(jìn)一步分析超聲沖擊強(qiáng)化對(duì)鈦合金表面的作用效果，本文選取其他學(xué)者研究的幾種常用的鈦合金表面強(qiáng)化工藝[24-26]來(lái)與超聲沖擊強(qiáng)化進(jìn)行對(duì)比，如表6。本部分旨在初步的定性分析超聲沖擊強(qiáng)化的特點(diǎn)，了解其潛在的優(yōu)勢(shì)與局限性，因此借鑒文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，精確的定量分析還需要開展大量的實(shí)驗(yàn)，將在后續(xù)的研究中進(jìn)一步展開。
從學(xué)者們的研究來(lái)看，超聲滾壓技術(shù)帶來(lái)了更小的粗糙度及更大的殘余壓應(yīng)力，然而受制于其滾動(dòng)加工的本質(zhì)，其無(wú)法在一些特殊形狀的工件上應(yīng)用。噴丸強(qiáng)化工藝雖然帶來(lái)了較大的殘余壓應(yīng)力和表面硬化率，然而其高速?zèng)_擊過(guò)程導(dǎo)致試件表面凹凸不平，其強(qiáng)化表面甚至較未強(qiáng)化前更加粗糙。超聲沖擊加工面粗糙度較噴丸方法降低了89.1%-94.3%。且其加工表面的殘余壓應(yīng)力引入效應(yīng)接近。
激光沖擊技術(shù)造成的影響從多角度來(lái)看都是有效的，但是該過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生試件表面的局部熱積累。鈦合金作為熱傳導(dǎo)率較低的材料容易受到熱的影響而降低性能，這也是高強(qiáng)度激光沖擊在鈦合金材料上的應(yīng)用限制。同時(shí)，超聲沖擊引入了比激光沖擊更深的塑性變形層。超聲滾壓引入的殘余應(yīng)力和表面硬化情況與超聲沖擊相當(dāng)，且其粗糙度更低。但是，超聲滾壓的應(yīng)用場(chǎng)景受到限制，針對(duì)一些大區(qū)率不規(guī)則表面，超聲滾壓難以作用。且超聲滾壓一般采用專門設(shè)備，本文提出的超聲沖擊方法采用一般數(shù)控機(jī)床配合超聲發(fā)生器即可實(shí)施，成本低且可遷移性強(qiáng)。
此外，超聲沖擊的處理深度較噴丸、超聲滾壓工藝淺，這在某些需要保留材料基本性能、減少表層形變的場(chǎng)景下是可取的，但對(duì)那些對(duì)硬度、耐磨度需求高的場(chǎng)景，超聲沖擊強(qiáng)化不一定比傳統(tǒng)強(qiáng)化方法有效。
本研究只針對(duì)鈦合金材料，超聲沖擊強(qiáng)化對(duì)其他合金材料的作用機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。此外，本研究采用特定參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在這種情況下超聲沖擊較其他采用了復(fù)雜參數(shù)組合的強(qiáng)化方式仍存在優(yōu)勢(shì)。后續(xù)研究中可針對(duì)超聲沖擊的加工參數(shù)以及前序工藝進(jìn)行研究和優(yōu)化以獲得更好的表面完整性。
4、結(jié)論
超聲沖擊強(qiáng)化是一種可以有效改善銑削加工后TC4鈦合金表面完整性的強(qiáng)化技術(shù)，根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)研究和分析，可以得到以下結(jié)論：
1)超聲沖擊強(qiáng)化相較于傳統(tǒng)強(qiáng)化方法，強(qiáng)化過(guò)程中工具頭高頻振動(dòng)引起表面硬化并均勻改善工件表面，工藝過(guò)程更加可控。超聲沖擊強(qiáng)化引入了可觀的塑性變形層、顯著提高工件表層硬度，但是相較于其他強(qiáng)化方法，超聲沖擊的處理深度較淺。
2)超聲沖擊強(qiáng)化可以顯著提高表面質(zhì)量，顯著降低表面粗糙度Ra值至0.13-0.15μm，相較于未處理試件降低90.3%。超聲沖擊強(qiáng)化同時(shí)引入了較大的殘余壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力達(dá)到935MPa，顯著提升鈦合金試件的抗疲勞性能。
3)銑削的前序加工質(zhì)量對(duì)于超聲沖擊強(qiáng)化后表面完整性的影響不顯著，強(qiáng)化工藝能夠覆蓋原始狀態(tài)。但是對(duì)于不同材料和銑削外的其他前序工藝，超聲沖擊造成的影響有待進(jìn)一步研究。
4)超聲沖擊強(qiáng)化過(guò)程中可能產(chǎn)生鈦合金工件的表面氧化問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中需要優(yōu)化工藝以避免或減少表面氧化帶來(lái)的消極影響。
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