航空航天領域的高端裝備加工構件存在的服役壽命較短、可靠性較差等問題一直制約我國高端制造業的發展[1]。鈦合金作為航空發動機關鍵承力構件的主要材料，具有比強度高、密度低、耐高溫、抗腐蝕等優點[2,3]。其固有疲勞強度可觀但對于應力集中敏感，成形加工中的表面損傷和殘余拉應力是破壞其疲勞性能的主要問題[3]。常見的鈦合金表面強化工藝有表面涂層[4]、噴丸[5]、滲氮滲碳[4]、激光沖擊[6]等等。其中，滲氮滲碳工藝強化的工件表面存在過度層脆化的風險[7]，涂層工藝在高溫高應力條件下存在開裂和剝落風險[8]，激光沖擊作用機理和其參數的選擇存在不確定性[9]。噴丸被當作一種標準的后處理工序被應用在很多鈦合金航空部件中，但噴丸構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]。因此涌現了改進后的激光噴丸[11]、濕噴丸[12]和超聲噴丸[13]等技術。然而，這些改進的噴丸技術仍存在強化均勻性差的問題，學者們通過工藝參數優化、多道次噴丸嘗試解決這一問題，起到了一定效果但仍存在應用場景的限制[13,10]。超聲滾壓將超聲波與滾動過程相結合使材料在壓力的作用下發生塑性變形和冷作，以改善表面的性能[14]，然而，其難以應用于復雜形狀工件且滾壓過程帶來的變形方向與進給方向是一致的，這對一些需要更加均勻形變的場景是不適用的。
超聲沖擊強化通過對加工表面進行重復高頻沖擊，并在單次沖擊時移動，可獲得均勻的表面結構狀態、好的表面硬度和粗糙度[15]。超聲沖擊技術經過證實可以誘導TC4工件表面產生較大的殘余壓應力以彌合表面的微孔[16]，從而提高表面質量和疲勞性能。此外，超聲沖擊強化相較于噴丸強化加工效率顯著提升[15]，強化均勻性好，應用前景可觀。
學者們對鈦合金超聲沖擊強化開展了相關研究。曹小健等[17]對不同表面狀態的TC4鈦合金進行表面超聲沖擊強化處理,強化后TC4表面產生強塑性變形層并提高了7%~10.7%的抗拉疲勞性能。
MORDYUK等人通過超聲沖擊處理粉末冶金TC4實驗來觀察其微觀結構的演變模式，證明鈦合金硬度的增加與位錯密度的增加有關[18]。應用在焊接構件方面的超聲沖擊強化方法也被廣泛研究，超聲沖擊憑借其減少焊接變形、提高焊接質量的特性成為鈦合金焊接接頭的主要強化手段之一。劉德波等[16]采用超聲沖擊對鈦合金焊縫進行處理，證明其使得工件表面生成強化層并將拉應力轉變為有利的壓應力。鄧海鵬等[19]以焊接接頭為對象，指出超聲沖擊在產生宏觀織構和細化晶粒方面的益處和其對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、引入壓應力，顯著提高焊接接頭的疲勞壽命。黃麗婷等[20]應用ABAQUS軟件模擬鈦合金的對接焊以及沖擊過程并證明隨著沖擊載荷的增加，殘余壓應力幅值增大。然而，當前超聲沖擊主要用于焊接連接處的強化，且沖擊頭多為球形滾子，針對切削表面的非滾動工具頭研究較少。
本文重點關注強化前的表面加工狀態對超聲強化后表面質量的影響，旨在為工藝設計提供指導。
本文以廣泛應用在航空航天領域的TC4鈦合金作為研究對象，分別對工件進行銑削和超聲輔助銑削的前序處理，并對處理后的鈦合金工件進行超聲沖擊強化。通過實驗，從表面粗糙度、殘余應力、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。最后將超聲沖擊與其他典型強化工藝進行比較以說明其作用效果。
1、試驗及方法
1.1實驗材料
本文超聲沖擊強化工藝研究對象為TC4(Ti-6Al-4V)，TC4的化學成分如表1所示，在室溫/高溫下的力學性能如表2所示。試件尺寸為50mm×50mm×9mm，將試件分為四個區域以進行工藝對比來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實驗條件
1)機床：云南機床廠CY-VMC850加工中心
2)刀具：銑削采用ф6R3球刀（硬質合金），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，材質為金剛石）
3)對兩組完全相同試件采用不同銑削參數以對比前序工藝對最終試件表面完整性的影響程度，銑削參數如表4，使用乳化液冷卻。
4)超聲輔助參數：
實驗中，在設計和調試換能器階段，已對換能器在特定負載下的頻率與振幅進行實時采集，保證在實驗最大載荷內，所設計的換能器的諧振是穩定的。此外，本文中的振動頻率為超聲振動輔助裝置的實時調頻模塊記錄，基本上保證振動頻率和振幅穩定。
超聲輔助銑削參數：設計振動頻率33kHz，實際振動頻率32.6kHz，振幅1.5μm。
超聲沖擊參數：設計振動頻率為23kHz，實際振動頻率22.8kHz，振幅1.5μm，進給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入工件的深度），步距fz=0.05mm（每一次超聲沖擊中相對于工件的步進方向）。
1.3超聲沖擊方法和作用機理
超聲沖擊技術的工作原理是通過超聲波振動器產生的高頻振動、輔以工具頭的往復運動，將能量傳遞給工件表面，形成沖擊力和壓應力[21]。超聲沖擊表面強化技術本質與噴丸強化類似，通過均勻塑性變形引入較大殘余壓應力、改善表面組織形態以達到表面強化的目的。在航空構建制造中，這種壓縮應力狀態可以抑制裂紋的擴展，提高材料的疲勞壽命和抗應力腐蝕性能。根據Hall-patch公式[22]：
式中，K為與材料本身相關的常數，與其泰勒因子正相關，d為晶粒的平均尺寸，H0為表征強度的常數，H則是材料的強度。Hall-patch公式指出材料的強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度。而超聲沖擊的強化機理則可以歸結于加工硬化和晶粒細化，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轉化為細小晶粒甚至是納米晶粒。同時可以通過調節超聲頻率、沖擊深度等方式來控制最終的加工形變以適應不同的應用場景。
同時，超聲振動對材料的塑性形變影響也是復雜的。超聲沖擊過程中，材料產生與其他強化方法不同的塑性變形原因有：應力疊加、振動沖擊、超聲軟化和加工熱效應。當工具頭接觸到材料時，就會產生應力疊加的現象，如圖1（a）所示，在這一過程中，工具頭因為在垂直試件表面方向上的周期性分離和接觸，對材料產生振動沖擊作用。此外，施加超聲振動后，若動態振蕩的谷底應力趨于0MPa，則波形畸變接近脈沖波產生超聲沖擊，如圖1（b）所示。以上可被解釋為應力疊加現象，其他引起變形的現象和應力疊加共同作用時，材料的變形程度會更加顯著。
加工熱效應則與材料表面的摩擦、刀具耕犁作用有關。超聲軟化則是指超聲波傳遞到材料中之后對材料表層微觀組織的改變最終造成材料力學性能降低的現象。較大的振幅會導致更加顯著的聲學軟化現象，但是這一軟化效應是暫時的，只發聲在疊加振動過程，一旦振動停止材料就會產生永久硬化。這種永久硬化解釋了超聲沖擊對材料的強化作用。
1.4超聲沖擊設備
超聲沖擊設備（如圖2）主要由沖擊頭（或稱為工具頭）、超聲刀柄、主軸等組成，同時有超聲振動輔助裝置用以調節振幅、頻率等。超聲振動輔助裝置配合超聲刀柄產生機械振動，沖擊頭作為載體將機械振動施加在試件表面，主軸移動以完成對試件的均勻沖擊。
超聲沖擊作為一種強化技術，其作用對象一般是粗/精加工后的試件表面。故首先對試件進行前序處理，分別用#1、#2工藝及A、B試件的銑削參數對試件進行銑削加工，每個試件劃分兩個區域分別進行銑削和超聲輔助銑削兩項前序處理。
對于完成前序處理后的試件，按照實驗設定參數進行沖擊，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。作為對比，超聲沖擊加工面看上去更加光滑，刀痕不顯著。
1.5測量方案和設備
在本次實驗中，為了對比超聲沖擊強化工藝和銑削工藝對試件表面產生的影響，對表面粗糙度、表面殘余應力、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行了檢測。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方向（沿工件軸線方向的進給方向以及每一次銑削/超聲沖擊中相對于工件的步進方向）上的作用機制和效果存在差異，部分實驗中分別測量沿進給方向和沿步進方向的特征。
采用TR240便攜式粗糙度儀對試件加工面沿進給和步進方向進行二維粗糙度Ra檢測。
采用AliconaInfiniteFocusG4全自動掃描儀觀察加工面表面形貌。
采用PROTOLXRDMG2000殘余應力測試分析系統沿進給和步進方向對試件殘余應力進行測量，對超聲沖擊試件進行腐蝕剝層，測量其不同深度殘余應力情況。
采用WOLPERT430SVD數顯維氏硬度計對試件加工面進行維氏硬度測量。
采用TESCANVEGA3LMU鎢燈絲掃描電鏡對試件加工面進行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行磨制和拋光處理，直至試樣表面光亮如鏡面、無劃痕。采用FUTURETECHFM-800型顯微硬度測試儀對拋光后金相試樣進行顯微硬度場測量。
采用Kroll溶液(HNO3：HF：H2O=3：6：90，少許H2O2)對金相試樣進行腐蝕，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、結果與討論
2.1表面粗糙度
表面粗糙度是評價航空構件性能的指標之一，鈦合金作為難加工材料，在刀具加工后往往容易產生劃痕、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，工件可能出現應力顯著增大的應力集中現象。應力集中有可能誘發疲勞裂紋出現并最終影響試件服役壽命。Anwar[23]等人提出了鈦合金的標準粗糙度參數和應力集中的關系：
式中，Kst為制造帶來的應力集中系數，n則表示外部載荷的應力狀態（剪切應力，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，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為微觀不平度十點高度。由此可見，越高的粗糙度值往往引起更嚴重的應力集中現象，從而影響鈦合金試件的服役壽命，通過強化工藝降低試件表面粗糙度很有必要。
試件的四個不同工藝分區的粗糙度測量結果如圖4。對于銑削和超聲銑削工藝，同一加工參數下，高轉速、大進給加工出的試件有著更低的粗糙度、更好的表面質量。超聲銑削技術所引入的超聲振動對于加工面的質量有著積極的作用。作為對比，超聲沖擊以0.13-0.15μm的Ra粗糙度值優于超聲銑削和銑削工藝（0.55~1.31），這是因為超聲沖擊強化工具頭不同于銑削加工所用的球刀，超聲沖擊過程中通過工具頭的連續穩定擠壓，改善了銑削加工中的耕犁、刀具抖動帶來的高粗糙度。由于超聲波的高頻率、高聚焦等特性，會使金屬表層產生壓塑性形變，這種形變較噴丸強化工藝更加均勻，這也使得不同粗糙度采樣區域的粗糙度值更加接近。且超聲沖擊強化在沿進給和沿步進方向的粗糙度值接近、不同區域粗糙度差值較小，避免了超聲銑削、銑削工藝中出現的沿進給及步進方向粗糙度不一致現象。
對不同工藝區的表面形貌進行觀察（圖5），其表征與粗糙度結果一致。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。
在刀痕低端容易產生應力集中并導致疲勞裂紋的產生。作為對比，工藝區#3、#4則更加平滑，超聲沖擊促使材料表面產生塑性流動從而掩蓋了高低不平的銑削刀痕，顯著減少了應力集中系數從而提高試件服役性能。微觀形貌與粗糙度所體現的優勢是一致的。同時，從粗糙度角度，前序工藝的工藝參數對超聲銑削后的表面質量無顯著影響，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表層殘余應力
鈦合金會在外界作用下產生塑性變形，并在外力消失后仍存在內部自相平衡的殘余應力。殘余壓應力可以有效增加材料服役性能，在加工過程中引入殘余壓應力對材料機械性能有利，不同加工工藝往往會引入截然不同的應力情況。試件不同工藝區的殘余應力值如圖6所示。
本文采用的四種工藝都使得試件表面產生了殘余壓應力，然而其影響程度存在較大差異。銑削過程中工件同時受到刀具摩擦、耕犁產生壓應力和加工熱效應引起塑性變形產生的拉應力，最終呈現較小的壓應力值。超聲銑削的壓應力值略大于銑削，因為超聲振動的引入減小了摩擦熱從而減少加工變形，拉應力效應變弱。超聲沖擊過程中，工具頭不斷擠壓試件表面，垂直于工件的法向力使試件產生更加均勻的形變超聲沖擊，引入了更大的壓應力值。本研究采取較大振幅，因此引入的殘余壓應力值較大，最大可達到935MPa，是銑削引入殘余壓應力值的235.3%。同時，對超聲沖擊影響材料表面殘余應力的情況進行研究，如圖7。
可以發現殘余壓應力沿著加工表面呈現出先增大后減小的變化規律。這與先前的超聲沖擊機理吻合，因為在工件次表面，振動軟化和熱效應共同作用使得壓應力松弛，而在距離加工表面約60μm時，應力值達到最大。試件A、B的工藝區#3、#4殘余應力值大小接近，基本不受前序工藝影響，可以看出超聲沖擊引入的殘余應力較前序工藝更顯著，起到更加明顯的表面強化作用。
2.3加工表面元素構成
試件表面的元素構成對其耐磨、耐腐蝕性能都有影響，加工工藝引起的元素變化有利有弊。對超聲沖擊前后的加工面進行元素分析，結果如表5。
可見超聲沖擊強化試件表面較銑削、超聲銑削工藝氧元素含量增多達到22.27%，加工過程中產生了更加劇烈的氧化效應。可能的原因是超聲沖擊過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，易產生氧化。圖3中工藝區#3和#4產生的表面色彩變化可能也是由于氧化層引起。在工藝設計中，需要關注氧化現象的產生及優化方法。
2.4表面硬度
試件不同工藝區的硬度測量結果如圖8。鈦合金TC4的維氏硬度經測量為310HV。三種工藝都產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%。銑削過程中，刀具的擠壓和熱效應共同作用下硬化效果不明顯。
超聲銑削則憑借刀具的振動降低了熱效應，產生更加明顯的硬化。試件A的硬化情況弱于試件B，可見大轉速、進給會產生更大的塑性應變從而起到更強的硬化效果。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，超聲沖擊過程中工具頭的高頻率振動和壓縮變形致使試件表層發生更大程度的硬化。因為鈦合金材質相較于其他航空材料有著較低的硬度，加工帶來的表面硬化會增加航空部件的耐高溫高壓、抗沖擊能力。從實驗結果來看，超聲沖擊達到了強化的目的。超聲沖擊在工藝區#3的硬化率低于工藝區#4、在試件A的同一工藝區硬化率低于試件B，這與工藝區#1、#2的現象是一致的。前序工藝可以改變材料表層的微觀結構和應力狀態，超聲沖擊在當前參數下所起到的表層硬化效果和試件前序工藝所帶來的加工硬化是相關的。
2.5顯微硬度
試件不同工藝區的顯微硬度測量結果如圖9。本文中測得的TC4未加工面的顯微維氏硬度在310HV左右。對于銑削、超聲銑削工藝，10μm深度處的顯微硬度大于試件表面處，這是因為銑削過程的熱效應在試件表面產生了軟化效應，與其引起塑性變形的加工硬化共同作用導致。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%。超聲沖擊過程中，沖擊力帶來的晶粒細化和位錯強化顯著提高了試件表層硬度，帶來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，前序銑削工藝對超聲沖擊后試件最表層的硬度（10μm以內）有一定影響，更大轉速、進給的前序銑削工藝也使得沖擊強化后的表層硬度更大。超聲沖擊引入的硬化效應在整個加工表層中較為均勻和一致，而不僅僅局限于表面。從硬化層深度來看，超聲沖擊的高頻振動和壓縮變形帶來的硬化效應更加顯著、影響更深，故前序工藝及參數對硬化層深度基本無影響。
2.6塑性變形層深度
掃描電子顯微鏡（SEM）下觀測超聲沖擊加工后的加工面。銑削過程中銑削力、擠壓摩擦和加工熱都會促使試件表面顯微組織發生變化，而超聲沖擊過程中法向沖擊力和切向擠壓也會使得鈦合金顯微組織細化和變形。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塑性滑移，晶粒扭曲，但是變形層深度較淺（5μm以內）。在5000倍電鏡下，銑削加工面存在凹凸不平。作為對比，超聲沖擊則很好的起到了“削峰填谷”作用（圖11），使得加工面相對于銑削工藝更加平整。同時，超聲沖擊試件中的鈦合金α相被擠壓、細化，沿著加工方向定向傾斜、塑性流動，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度，與前文中觀察到的表面硬化現象吻合。超聲沖擊中多因素共同引起的塑性變形造成位錯和晶界的畸變，增加位錯密度和晶界面積，從而阻礙位錯和晶粒的滑移，增加材料的強度和硬度。圖11中可見超聲沖擊強化后塑性變形層深度在15-20μm，塑性變形層中的晶粒細化會帶來試件強度和硬度的提高，該工藝起到了較好的表面強化作用。
3、與其他典型強化方法的對比
表面處理工藝旨在提高材料性能、改善表面質量、延長材料壽命。為了進一步分析超聲沖擊強化對鈦合金表面的作用效果，本文選取其他學者研究的幾種常用的鈦合金表面強化工藝[24-26]來與超聲沖擊強化進行對比，如表6。本部分旨在初步的定性分析超聲沖擊強化的特點，了解其潛在的優勢與局限性，因此借鑒文獻中的實驗數據進行分析，精確的定量分析還需要開展大量的實驗，將在后續的研究中進一步展開。
從學者們的研究來看，超聲滾壓技術帶來了更小的粗糙度及更大的殘余壓應力，然而受制于其滾動加工的本質，其無法在一些特殊形狀的工件上應用。噴丸強化工藝雖然帶來了較大的殘余壓應力和表面硬化率，然而其高速沖擊過程導致試件表面凹凸不平，其強化表面甚至較未強化前更加粗糙。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力引入效應接近。
激光沖擊技術造成的影響從多角度來看都是有效的，但是該過程中會產生試件表面的局部熱積累。鈦合金作為熱傳導率較低的材料容易受到熱的影響而降低性能，這也是高強度激光沖擊在鈦合金材料上的應用限制。同時，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力和表面硬化情況與超聲沖擊相當，且其粗糙度更低。但是，超聲滾壓的應用場景受到限制，針對一些大區率不規則表面，超聲滾壓難以作用。且超聲滾壓一般采用專門設備，本文提出的超聲沖擊方法采用一般數控機床配合超聲發生器即可實施，成本低且可遷移性強。
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、減少表層形變的場景下是可取的，但對那些對硬度、耐磨度需求高的場景，超聲沖擊強化不一定比傳統強化方法有效。
本研究只針對鈦合金材料，超聲沖擊強化對其他合金材料的作用機制還需要進一步研究。此外，本研究采用特定參數進行實驗，在這種情況下超聲沖擊較其他采用了復雜參數組合的強化方式仍存在優勢。后續研究中可針對超聲沖擊的加工參數以及前序工藝進行研究和優化以獲得更好的表面完整性。
4、結論
超聲沖擊強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化技術，根據以上的實驗研究和分析，可以得到以下結論：
1)超聲沖擊強化相較于傳統強化方法，強化過程中工具頭高頻振動引起表面硬化并均勻改善工件表面，工藝過程更加可控。超聲沖擊強化引入了可觀的塑性變形層、顯著提高工件表層硬度，但是相較于其他強化方法，超聲沖擊的處理深度較淺。
2)超聲沖擊強化可以顯著提高表面質量，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%。超聲沖擊強化同時引入了較大的殘余壓應力，最大壓應力達到935MPa，顯著提升鈦合金試件的抗疲勞性能。
3)銑削的前序加工質量對于超聲沖擊強化后表面完整性的影響不顯著，強化工藝能夠覆蓋原始狀態。但是對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一步研究。
4)超聲沖擊強化過程中可能產生鈦合金工件的表面氧化問題，在實際應用中需要優化工藝以避免或減少表面氧化帶來的消極影響。
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