孟成，趙運(yùn)才，張新宇，王鑫，何揚(yáng)，張峻

（江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

金屬材料的耐磨性、耐沖蝕、抗腐蝕、抗氧化等力學(xué)、物理和化學(xué)性能在很大程度上取決于材料的表面完整性。表面完整性[1]指部件表面幾何特征（表面粗糙度、表面缺陷、宏觀裂紋）和表面物理特征（微觀組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度、殘余應(yīng)力、微觀裂紋、再結(jié)晶、合金元素貧化、塑性變形）等狀態(tài)的完好程度。在高溫、重載、腐蝕等嚴(yán)苛環(huán)境中，零部件表面常會(huì)發(fā)生不同程度的摩擦磨損、裂紋擴(kuò)展、疲勞損傷和沖擊腐蝕等，最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效[2]。大量的零部件失效分析結(jié)果表明[3]，屬于疲勞失效的零部件約占80%，材料的表面完整性是影響材料摩擦學(xué)性能、抗腐蝕、抗疲勞等性能的重要因素之一。超聲滾壓技術(shù)是一種表面自納米化綠色清潔技術(shù)，利用滾壓工具在工件表面完成往復(fù)滾擠壓加工，在材料表層發(fā)生彈塑性變形后可以得到較好的表面完整性，從而提高工件的抗疲勞腐蝕和摩擦磨損性能。

在航空航天、機(jī)車汽車、輪船艦艇、生物醫(yī)療等制造業(yè)領(lǐng)域，零部件的表面完整性直接影響產(chǎn)品的使用性能和服役壽命。為了進(jìn)一步提升材料的表面完整性，從而延長機(jī)械產(chǎn)品的使用周期，與此有關(guān)的表面強(qiáng)化問題正成為行業(yè)的研究熱點(diǎn)。表面強(qiáng)化技術(shù)主要包括機(jī)械研磨[4]、深冷滾壓[5]、噴丸強(qiáng)化[6]、激光沖擊強(qiáng)化[7-10]、超聲沖擊強(qiáng)化[11]、超聲輔助感應(yīng)加熱[12]、超聲滾壓強(qiáng)化[13]、電脈沖輔助超聲滾壓[14-17]等。其中，超聲滾壓技術(shù)不同于傳統(tǒng)的機(jī)械表面處理技術(shù)，同時(shí)具有超聲沖擊和傳統(tǒng)滾壓等2 種技術(shù)的優(yōu)勢，在加工過程中同時(shí)對(duì)金屬表面進(jìn)行沖擊作用和擠壓強(qiáng)化，使加工表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形和加工硬化效果。該工藝可細(xì)化晶粒尺寸、降低表面粗糙度、提高表面硬度，并將殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力[18]，獲得更深層次的納米梯度硬化層和殘余壓應(yīng)力影響區(qū)域，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)械處理方式生產(chǎn)效率低，以及作業(yè)環(huán)境與高性能材料性能需求不匹配等缺陷，在提升金屬材料的耐磨性能、耐腐蝕性能、抗疲勞性能等方面具有十分廣闊的應(yīng)用前景[19]。研究表明，張飛等[20]利用超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)45#鋼進(jìn)行表面處理發(fā)現(xiàn)，經(jīng)超聲滾壓處理后試樣表面的形貌得到了顯著改善，表面質(zhì)量更好，晶粒形態(tài)更細(xì)小，表面強(qiáng)化層厚度達(dá)到400 μm，表層顯微硬度、殘余壓應(yīng)力和疲勞極限值均得到提高。Wang 等[21]采用超聲滾壓技術(shù)對(duì)40Cr 表面實(shí)施了后處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過后處理的40Cr 表面形成了3～7 nm的細(xì)晶結(jié)構(gòu)層，粗糙度Ra降為0.05 mm。黃元林等[22]在45#鋼基材表面電弧噴涂3Cr13 涂層，進(jìn)行超聲滾壓強(qiáng)化處理，使得涂層的孔隙率和表面粗糙度減小，涂層的顯微硬度、表面殘余壓應(yīng)力和摩擦學(xué)性能均得到不同程度的提升，改善了涂層的綜合性能。孫智妍等[23]在GH4169 超聲滾壓中引入?yún)?shù)優(yōu)化的電脈沖，可進(jìn)一步增加GH4169 塑性變形過程中的位錯(cuò)密度，增強(qiáng)位錯(cuò)的增殖，產(chǎn)生更多的纏結(jié)位錯(cuò)，經(jīng)電脈沖輔助超聲滾壓后的材料表面具有更深、更細(xì)的超細(xì)晶層，改善了GH4169 的表面完整性。由此可見，在對(duì)金屬材料進(jìn)行超聲滾壓處理的同時(shí)輔以其他工藝能在一定程度上通過超聲滾壓強(qiáng)化形成有益的復(fù)合工藝，通過工藝的復(fù)合增益使得材料表面的形貌特征、組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力應(yīng)變和能量分布等演變規(guī)律具有新的特點(diǎn)，從而提升材料的綜合性能。

目前，國內(nèi)外研究人員大多從超聲滾壓的試驗(yàn)研究、仿真分析、微觀機(jī)理、應(yīng)用性等方面對(duì)被處理材料的性能進(jìn)行改善，獲得了較好的表面完整性。目前，對(duì)于超聲滾壓表面性能與工藝參數(shù)之間的協(xié)同調(diào)控關(guān)系還不清晰，對(duì)超聲滾壓復(fù)合加工工藝的性能改善與應(yīng)用的研究還不夠深入。為此，文中綜述了超聲滾壓技術(shù)的加工原理及特點(diǎn)、試驗(yàn)影響因素（靜壓力和超聲振幅等）、數(shù)值模擬、性能應(yīng)用（耐磨性和抗腐蝕性等）、復(fù)合工藝和未來發(fā)展趨勢等方面的內(nèi)容，對(duì)超聲滾壓處理表層材料的研究工作進(jìn)行了分析，并預(yù)測了今后超聲滾壓技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 超聲滾壓技術(shù)的加工原理及特點(diǎn)

超聲滾壓技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)沖擊式壓力光整加工工藝，通過將高頻超聲振動(dòng)與靜壓力結(jié)合的方式對(duì)工件表面進(jìn)行往復(fù)滾壓加工。超聲滾壓裝置[24]主要由超聲波發(fā)生器、預(yù)緊彈簧、超聲換能器、超聲變幅桿、滾壓球等組成，超聲滾壓加工整體結(jié)構(gòu)和局部細(xì)節(jié)如圖1 所示。

在超聲滾壓過程中，超聲能量通過超聲加工系統(tǒng)（如圖1a）傳遞至工件表面，周期性的動(dòng)態(tài)沖擊和滾壓作用誘使材料發(fā)生更大的彈塑性變形，進(jìn)一步降低其表面粗糙度（如圖1b），達(dá)到了“削峰填谷”的效果。源于微觀組織的細(xì)化和表面加工硬化程度的提高，有效促進(jìn)了硬度的提高，同時(shí)在表層形成了更深的梯度納米硬化層[25]和殘余壓應(yīng)力影響區(qū)域，從而大幅提升了材料的疲勞強(qiáng)度、耐磨性和抗腐蝕性[26-28]等綜合性能。

圖1 超聲滾壓加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic vibration rolling processing system structure: a) overall structure; b) local details

2 超聲滾壓技術(shù)的試驗(yàn)影響因素

超聲滾壓試驗(yàn)的影響因素主要包括超聲滾壓輸出振幅、靜壓力、加工次數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等，同時(shí)一些超聲滾壓復(fù)合后處理工藝還受到外界引入的工藝參數(shù)的影響。比如，在超聲滾壓過程中引入溫度（中溫/高溫+超聲滾壓后處理）或增加其他物理或化學(xué)復(fù)合工藝（重熔技術(shù)+超聲滾壓、電脈沖+超聲滾壓、激光沖擊+超聲滾壓等）輔助加工，從而實(shí)現(xiàn)其他工藝輔助超聲滾壓處理的增益效果。材料表面加工性能的好壞取決于超聲滾壓的工藝參數(shù)，通過對(duì)這些工藝參數(shù)的優(yōu)化，能夠較好地消除或減少材料的微觀組織缺陷，進(jìn)一步改善傳統(tǒng)機(jī)械加工所導(dǎo)致的表面粗糙、裂紋和溝槽等缺陷，大幅提升材料的表面完整性，為工程機(jī)械零部件的使用壽命提供更加可靠的工藝技術(shù)支持。

超聲滾壓強(qiáng)化技術(shù)對(duì)材料力學(xué)性能、耐腐蝕性、耐磨性和抗疲勞性能等方面的提高主要?dú)w因于對(duì)材料表面缺陷、宏觀裂紋、微觀組織結(jié)構(gòu)、有益殘余壓應(yīng)力和顯微硬度等性能指標(biāo)的協(xié)同調(diào)控，而超聲滾壓工藝參數(shù)的優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)協(xié)同調(diào)控的關(guān)鍵所在。近年來，工程技術(shù)人員在超聲滾壓試驗(yàn)影響因素方面開展了大量研究工作。

劉治華等[29]研究了超聲滾壓18CrNiMo7–6 齒輪鋼在不同試驗(yàn)影響因素下的表面完整性，發(fā)現(xiàn)超聲滾壓能較好地改善試樣的表面形貌和微觀組織缺陷（如圖2），同時(shí)在表層形成厚度為260 μm 的硬化層，相較于未處理前的表面硬度和殘余應(yīng)力（圖3），其最大值分別提升了15.7%和542%。對(duì)表面粗糙度影響最大的試驗(yàn)因素是進(jìn)給量，影響最小的是靜壓力。席剛等[30]研究了超聲滾壓參數(shù)對(duì)TC4 鈦合金表面性能的影響，發(fā)現(xiàn)超聲滾壓后的表面完整性更好，影響表面粗糙度、顯微硬度和殘余應(yīng)力的主要參數(shù)為靜壓力和進(jìn)給速度，合理的加工次數(shù)也能獲得較好的表面質(zhì)量。Li 等[31]采用超聲滾壓對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6%的TiB2/2024Al 復(fù)合材料進(jìn)行了表面改性，處理后試樣的表層下方形成了微納米結(jié)構(gòu)（圖4），TiB2顆粒在超聲沖擊、進(jìn)給和滾動(dòng)方向的作用力影響下會(huì)壓縮表層材料，觸發(fā)重復(fù)多向的剪切機(jī)制，產(chǎn)生細(xì)小的晶粒和分散的TiB2顆粒，縱向和截面的硬度分別提升了50%和30%，殘余壓應(yīng)力影響深度由150 μm增加到430 μm，最大殘余壓應(yīng)力提升了約68%。這歸因于超聲滾壓后表面完整性的改善機(jī)制，可有效提高復(fù)合材料的抗疲勞、抗腐蝕、摩擦學(xué)性能。隨著對(duì)超聲滾壓試驗(yàn)影響因素的深入研究，有關(guān)超聲滾壓的工藝擇優(yōu)與表面完整性、強(qiáng)化機(jī)理、疲勞磨損等問題開始成為研究的熱點(diǎn)。

圖2 超聲滾壓前后的表面顯微形貌[29]Fig.2 Surface micro-morphology before and after ultrasonic rolling[29]: a) surface micro-morphology without ultrasonic rolling; b) surface microstructure after ultrasonic rolling (normal effect);c) surface micro-morphology after ultrasonic rolling (better effect)

圖3 超聲滾壓前后的顯微硬度和殘余應(yīng)力[29]Fig.3 Microhardness and residual stress before and after ultrasonic rolling[29]:a) microhardness; b) residual stress

圖4 TiB2 破碎演變機(jī)制和截面微觀組織結(jié)構(gòu)[31]Fig.4 TiB2 fracture evolution mechanism and cross-sectional microstructure[31]

2.1 靜壓力和超聲振幅

超聲滾壓強(qiáng)化技術(shù)是近年來表面工程中高速發(fā)展的表面強(qiáng)化技術(shù)，待加工的試樣表面通過初始靜壓力與施加超聲振幅后的動(dòng)態(tài)沖擊力耦合增強(qiáng)作用，使得預(yù)置靜壓力產(chǎn)生的壓應(yīng)力受到超聲頻率振動(dòng)的影響而顯著增強(qiáng)，從而有效地提升了材料的表面完整性，改善了零部件的抗疲勞性能。由此，在試驗(yàn)加工過程中研究靜壓力和超聲振幅對(duì)材料表面完整性的影響，以期為超聲滾壓擇優(yōu)工藝的選擇提供可靠的理論基礎(chǔ)。

超聲滾壓表面強(qiáng)化過程伴隨著應(yīng)力波的傳播，使靜壓力和動(dòng)態(tài)的超聲沖擊力耦合作用于待加工的試樣表面，可在材料表層一定深度范圍內(nèi)形成一個(gè)應(yīng)力場，此時(shí)應(yīng)力場內(nèi)的小體積單元使得材料發(fā)生了彈、塑性變形。通過靜力與動(dòng)態(tài)作用力的往復(fù)加工，應(yīng)力場在塑性變形過程中不斷傳遞，被加工面的波峰被削平，產(chǎn)生的金屬流動(dòng)持續(xù)填充波谷，達(dá)到了“削峰填谷”效果，通過這種往復(fù)的強(qiáng)烈塑性變形方式，組織內(nèi)部晶粒得到納米級(jí)細(xì)化，促進(jìn)了顯微硬度和殘余應(yīng)力的梯度分布。李鳳琴等[32]研究了超聲滾壓過程中靜壓力對(duì)TC4 鈦合金材料表面完整性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著靜壓力的增加，晶粒細(xì)化和表面硬化程度（圖5）增大，殘余應(yīng)力則表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，其中殘余應(yīng)力的最大值和表面粗糙度的最小值均出現(xiàn)在靜壓力為600 N 時(shí)。在500～800 N 時(shí)能獲得較好的表面質(zhì)量，超過800 N 后對(duì)表面易造成損傷。Wang 等[33]分析了不同靜壓力下7050 鋁合金超聲滾壓后的表面摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)通過超聲滾壓可明顯細(xì)化鋁合金的表面組織，提高表面硬度，其表面耐磨性比未經(jīng)超聲滾壓的提高約1.5 倍，磨損程度和摩擦因數(shù)隨著靜壓力的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且在靜壓力為600 N 時(shí)，摩擦因數(shù)和磨損量相對(duì)最小。趙運(yùn)才等[34]采用超聲滾壓技術(shù)研究了不同靜壓力下試樣的表面完整性，發(fā)現(xiàn)超聲滾壓試樣的表面缺陷相對(duì)于未滾壓試樣得到了明顯改善。在靜壓力為100 N 時(shí)，車削劃痕等缺陷明顯減少，在靜壓力為600 N 時(shí)表面形貌得到明顯改善，但在靜壓力為1 000 N 時(shí)，過高的靜壓力載荷可能會(huì)使超聲滾壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性出現(xiàn)波動(dòng)，材料表面易發(fā)生過度損傷，出現(xiàn)微小細(xì)紋。表面粗糙度隨著靜壓力的增大先減小再增大，表面硬度、最大殘余壓應(yīng)力和影響層深度隨著靜壓力的增大而增大。

由上可知，靜壓力影響著材料的表面完整性。這是因?yàn)槌暆L壓的動(dòng)態(tài)沖擊作用力不僅能使表面產(chǎn)生加工硬化效果和高值殘余壓應(yīng)力，而且能形成梯度分布的納米晶組織。由于材料加工時(shí)受到超聲振幅所引起的動(dòng)態(tài)沖擊能量和靜壓力的聯(lián)合作用，其耦合作用力對(duì)表面性能的影響有所不同，因此分析超聲滾壓輸出振幅的取值范圍對(duì)改善表面性能具有重要意義。

超聲振幅的變化主要體現(xiàn)在超聲沖擊表面的速度發(fā)生了變化，在靜壓力一定時(shí)，超聲沖擊幅度隨著振幅的增加而增加，且振幅越大超聲沖擊力越大，使得材料的塑性變形更劇烈更均勻，最終影響材料的表面完整性。研究超聲振幅在超聲滾壓過程中對(duì)材料整體性能的影響，對(duì)于評(píng)價(jià)材料的表面完整性和抗疲勞性能具有實(shí)際意義。程明龍等[35]研究了超聲滾壓參數(shù)對(duì)45#鋼微觀組織的影響，發(fā)現(xiàn)超聲滾壓能夠使試樣表面微觀組織實(shí)現(xiàn)明顯的纖維化效果，且纖維化組織程度（圖6）與超聲振幅有關(guān)，超聲振幅越大，沿深度方向的流變組織越多，零件表面的纖維組織越細(xì)小，晶粒組織拉長，纖維呈納米結(jié)構(gòu)層，表面組織的纖維化有效提升了零件的抗疲勞性能。劉立波[36]探究了超聲振幅對(duì)42CrMo 表面完整性的影響，結(jié)果表明，當(dāng)靜壓力在400 N 內(nèi)時(shí)，殘余應(yīng)力隨著振幅的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)靜壓力超過400 N 時(shí)，殘余應(yīng)力隨著超聲振幅的增加而增加。殘余應(yīng)力的提升歸因于振幅通過超聲變幅桿等裝置轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)沖擊力作用于加工面，在靜壓力聯(lián)合作用下實(shí)現(xiàn)了劇烈的塑性變形和表面納米化效果。

圖6 表層晶粒纖維隨超聲振幅的變化[35]Fig.6 Changes of surface crystal grain fibers with ultrasonic amplitude[35]

經(jīng)超聲滾壓加工后，材料表面完整性的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在材料表面形貌改善、表層組織細(xì)化、殘余壓應(yīng)力分布和加工硬化效應(yīng)等方面，從而提升了材料的疲勞強(qiáng)度和耐磨損性能。實(shí)際應(yīng)用中在滿足性能指標(biāo)的同時(shí)，選擇合理的超聲滾壓靜壓力和振幅進(jìn)行組織協(xié)同調(diào)控，能夠獲得整體性能更均衡的材料。

2.2 主軸轉(zhuǎn)速/進(jìn)給速度和進(jìn)給量

主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量是影響材料超聲滾壓表面性能的重要因素，選用過低的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量都會(huì)降低試樣的表面粗糙度。試樣的殘余應(yīng)力在滾壓表面至次表層區(qū)域呈現(xiàn)梯度變化規(guī)律，且在某一作用深度存在最大殘余應(yīng)力。較低的主軸轉(zhuǎn)速能確保試樣表面被均勻加工，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速過大時(shí)，會(huì)降低加工表面的均勻性和加工的穩(wěn)定性，使得待加工表面的跳躍性現(xiàn)象更加活躍，導(dǎo)致被加工表面粗糙度更高。選擇過低的主軸轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致滾壓過程的不穩(wěn)定，從而降低超聲滾壓系統(tǒng)的加工精度。進(jìn)給量過大會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域存在未被滾壓的情況，從而導(dǎo)致表面塑性變形不均勻，表層顯微硬度變小。當(dāng)進(jìn)給量較小時(shí)，能取得較好的表面粗糙和較高的殘余應(yīng)力。綜上可知，合理地選擇超聲滾壓加工參數(shù)對(duì)獲得較好的表面性能至關(guān)重要。

通過對(duì)超聲滾壓工藝參數(shù)的優(yōu)化，不僅可以獲得較好的表面完整性，還能節(jié)省加工成本。張飛[37]設(shè)計(jì)了超聲滾壓單因素試驗(yàn)，研究了超聲滾壓45#鋼的工藝擇優(yōu)問題，分析了主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對(duì)材料表面粗糙度、殘余應(yīng)力和表面硬度的影響規(guī)律，并得出了超聲滾壓過程中主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的合理調(diào)控范圍，在其他參數(shù)一定，主軸轉(zhuǎn)速為250 r/min，進(jìn)給量為10 mm/min 時(shí)，最小表面粗糙度Ra約為0.15 μm；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為290 r/min、進(jìn)給量為10 mm/min 時(shí)，最大表面硬度約為445HV；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為290 r/min、進(jìn)給量為 15 mm/min 時(shí)，最大殘余壓應(yīng)力約為876 MPa。徐玉紅等[38]研究了超聲滾壓風(fēng)電軸承套圈材料的殘余應(yīng)力與主軸轉(zhuǎn)速n和進(jìn)給速度f之間參數(shù)變化的關(guān)系（見圖7）。結(jié)果表明，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響具有一定交互關(guān)系，且在一定范圍內(nèi)低轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給速度（即n≤200 r/min，f≥60 mm/min 時(shí)）能獲得更大的殘余應(yīng)力，為提高軸承產(chǎn)品的疲勞接觸壽命提供了技術(shù)參考。

圖7 不同轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度下的殘余應(yīng)力值（振幅為15 μm，靜壓力為700 N）[38]Fig.7 Residual stress values at different speeds and feed rates(Amplitude of 15 μm and static pressure of 700 N)[38]

由上可知，當(dāng)其他工藝參數(shù)一定時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速與超聲滾壓處理試樣的表面粗糙度呈線性增加趨勢，但對(duì)表面硬度的影響規(guī)律卻不顯著。在高進(jìn)給速度下，殘余應(yīng)力隨著轉(zhuǎn)速的降低而增大，這與低進(jìn)給速度下的殘余應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速減小呈現(xiàn)相反的規(guī)律。當(dāng)其他工藝參數(shù)一定時(shí)，進(jìn)給量和超聲滾壓處理試樣的表面粗糙度也呈線性增加趨勢，因而選擇較低的進(jìn)給量或主軸轉(zhuǎn)速，可以獲得較低的表面粗糙度。由此可見，在超聲滾壓加工中選擇較低的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量，以及較高的進(jìn)給速度對(duì)保證加工效率和提升滾壓試樣的表面完整性具有實(shí)際意義。

2.3 滾壓次數(shù)和覆蓋率

在超聲滾壓加工過程中的載荷包括施加給滾壓球的初始靜壓力和動(dòng)態(tài)超聲沖擊力，在一定的滾壓次數(shù)和覆蓋率加工條件下，通過滾壓球的滾擠壓作用和金屬塑性流動(dòng)，材料表面凹凸不平的位置被持續(xù)地壓平和填充，從而實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”效果。同時(shí)表層晶粒在劇烈的塑性變形中也不斷地被破碎為細(xì)小的組織，形成了梯度納米結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，從而改善了材料的表面硬度和耐磨性能。當(dāng)其它超聲滾壓加工工藝參數(shù)一定時(shí)，隨著單位面積內(nèi)滾壓次數(shù)的增加，覆蓋率也進(jìn)一步增加，材料產(chǎn)生塑性變形的程度增大，導(dǎo)致最大殘余壓應(yīng)力的大小、深度和分布范圍進(jìn)一步增加，但超聲滾壓次數(shù)過高時(shí)又會(huì)抑制材料表面的硬化，進(jìn)而阻礙殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。由此可見，選擇合理的超聲滾壓加工次數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的調(diào)控十分重要，也為改善材料表面層的特性、消除微觀缺陷、提高材料的疲勞壽命提供了理論依據(jù)。

Li 等[39]采用超聲滾壓（SURP）對(duì)304 不銹鋼進(jìn)行了強(qiáng)化處理，分析了不同超聲滾壓次數(shù)下試樣的抗腐蝕性、抗氣蝕性的差異及其抗氣蝕的微觀機(jī)理。結(jié)果表明，304 不銹鋼經(jīng)超聲滾壓后引入了納米結(jié)構(gòu)層，實(shí)現(xiàn)了馬氏體與奧氏體之間的轉(zhuǎn)變，包括鈍化膜的形成、晶粒平均粒徑的細(xì)化，以及材料表面硬度和殘余應(yīng)力（圖8）的提高，這些有益特征的變化對(duì)試樣的空蝕行為產(chǎn)生了保護(hù)作用。然而，超聲滾壓次數(shù)的增加體現(xiàn)了超聲滾壓過程中能量的積累，超聲滾壓的能量傳遞主要用于表面硬化、晶粒細(xì)化、滑移帶的建立以及缺陷的形成，過多的能量傳遞會(huì)起到相反的作用。分析認(rèn)為，超聲滾壓10 次后，304 不銹鋼具備最佳的抗氣蝕性能。Xu 等[40]通過對(duì)7B50-T7751 鋁合金試樣表面進(jìn)行超聲滾壓處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)不同滾壓次數(shù)處理后可以不同程度地改善材料的表面完整性，在低滾壓次數(shù)時(shí)能同時(shí)產(chǎn)生加工硬化和高值殘余壓應(yīng)力場，內(nèi)部晶粒組織得到細(xì)化，這些協(xié)同作用有效地抑制了材料點(diǎn)蝕破壞和晶間腐蝕的萌生和惡化，提高了材料的顯微硬度和疲勞壽命，但當(dāng)滾壓次數(shù)過高時(shí)會(huì)對(duì)已光整表面造成微損傷。

圖8 不同SURP 次數(shù)下的表面維氏硬度[39]Fig.8 Surface Vickers hardness in difference SURP times: a) mean vickers hardness;b) vickers hardness changes on surface of specimen along the rolling boundary[39]

由上可知，選擇合適的超聲滾壓次數(shù)和覆蓋率對(duì)材料的表面完整性具有改善作用。通過對(duì)以上超聲滾壓試驗(yàn)影響因素的分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化超聲滾壓工藝可以有效減少傳統(tǒng)機(jī)械加工引起的材料表面缺陷，提高材料的表面完整性和抗疲勞性，制定出更好的超聲滾壓工藝技術(shù)規(guī)范。由此可見，積極探索工程應(yīng)用中促進(jìn)機(jī)械零部件性能增強(qiáng)的超聲滾壓表面強(qiáng)化工藝參數(shù)，可有效提升材料的表面完整性，提高產(chǎn)品的使用周期，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)及工程應(yīng)用具有重要價(jià)值。

3 超聲滾壓技術(shù)的數(shù)值模擬

目前，在實(shí)際試驗(yàn)中對(duì)超聲滾壓工藝參數(shù)的研究相對(duì)較多，但試驗(yàn)過程、結(jié)果的有效性和難易性大多取決于試驗(yàn)裝備的好壞，試驗(yàn)過程相對(duì)耗時(shí)且流程煩瑣，而數(shù)值模擬技術(shù)作為工程技術(shù)研究中的另一種有效方式，可用來輔助驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃?，并?duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。近年來，應(yīng)用于超聲滾壓表面強(qiáng)化過程中的模擬分析技術(shù)正成為研究學(xué)者的重要技術(shù)手段，數(shù)值模擬超聲滾壓表面強(qiáng)化的研究成果可為工藝優(yōu)化提供簡便可行的參考依據(jù)，對(duì)實(shí)際工藝技術(shù)的完善和發(fā)展也具有很好的指導(dǎo)意義。

Liu 等[41]采用ABAQUS 軟件建立了三維有限元模型，利用自動(dòng)梯度應(yīng)力檢測分析系統(tǒng)對(duì)超聲滾壓后的殘余應(yīng)力進(jìn)行測定，得到了靜力梯度下表面殘余應(yīng)力的仿真值。在一定范圍內(nèi)試樣的最大殘余應(yīng)力深度隨著靜壓力的增大而增大，當(dāng)靜壓為1 100 N 時(shí)，殘余壓應(yīng)力達(dá)到最大值，模擬值為870 MPa，實(shí)驗(yàn)值為820 MPa。在靜壓力變化范圍內(nèi)仿真值與實(shí)驗(yàn)值的誤差控制在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了超聲滾壓有限元三維模型的可靠性，說明使用數(shù)值模擬技術(shù)可以較好地預(yù)測超聲滾壓后的材料表層特性。Wang 等[42]采用ABAQUS軟件對(duì)Ti-6Al-4V 合金板表面超聲滾壓過程進(jìn)行了動(dòng)力型仿真分析和實(shí)驗(yàn)觀察，深入分析了在不同靜壓力、超聲振幅（圖9）和滾壓時(shí)間（圖10）下對(duì)試樣表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。從殘余應(yīng)力、硬化層深度等方面驗(yàn)證了超聲滾壓模型的可靠性，得到了超聲滾壓Ti-6Al-4V 試樣表面高值殘余應(yīng)力的優(yōu)化工藝。王炳英等[43]建立了超聲滾壓有限元模型，分析了X80 管線鋼超聲滾壓加工過程中不同位移載荷下的等效塑性應(yīng)變和殘余應(yīng)力的變化規(guī)律。經(jīng)超聲滾壓后鋼表層的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力，且殘余應(yīng)力的最大值和作用深度都隨著位移載荷的增加而增大，殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測量值與仿真結(jié)果的誤差小于5%，表明有限元分析結(jié)果具有參考性。

圖9 不同振幅殘余應(yīng)力隨深度的變化情況[42]Fig.9 Residual stress with different amplitude changes with depth[42]

圖10 不同節(jié)點(diǎn)殘余應(yīng)力隨滾壓時(shí)間的變化情況[42]Fig.10 Residual stress at different nodes changes with time[42]

采用超聲滾壓表面強(qiáng)化后處理工藝可以獲得優(yōu)于原始試樣的表面性能，研究試樣滾壓后表面的特征參量變化對(duì)于獲得較好的表面完整性具有重要意義。其中，研究表面顯微硬度、殘余壓應(yīng)力、表面粗糙度和等效塑性應(yīng)變的變化規(guī)律對(duì)機(jī)械零部件的使用壽命至關(guān)重要，因此選擇合適的有限元方法來表征它們之間的相互作用關(guān)系，建立超聲滾壓試樣的性能指標(biāo)與擇優(yōu)工藝之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。采用試驗(yàn)研究與仿真分析相結(jié)合的方法對(duì)超聲滾壓表面強(qiáng)化的作用機(jī)理進(jìn)行深入的探索，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量表面性能，提升加工效率和節(jié)約生產(chǎn)成本，為超聲滾壓工藝參數(shù)優(yōu)化和其他復(fù)合技術(shù)的應(yīng)用提供參考價(jià)值。Li 等[44]建立了超聲滾壓過程中殘余應(yīng)力的動(dòng)態(tài)模型，研究了不同靜壓力下表面粗糙度、表面硬度及硬化程度的變化規(guī)律，并與試驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)靜壓力為100～1 000 N時(shí)，表面硬度和硬化程度與靜壓力之間呈正相關(guān)關(guān)系，且高值靜壓力能獲得較高的硬化程度和表面硬度，但表面粗糙度卻在一定范圍內(nèi)不遵循此變化規(guī)律。在靜壓力為600 N 時(shí)表面粗糙度達(dá)到最小值，在靜壓力為1 000 N 時(shí)表面甚至出現(xiàn)了微小裂紋，表面形貌受到損傷。表明在超聲滾壓加工過程中要避免靜壓力過大導(dǎo)致的表面質(zhì)量惡化，在提升材料性能的同時(shí)根據(jù)實(shí)際需求來合理地選擇靜壓力。Ismail 等[45]建立了在AISI1042 鋼表面利用小球往復(fù)接觸滾壓過程的三維有限元模型，對(duì)滾壓球滾壓接觸中的殘余應(yīng)力和塑性應(yīng)變的分布規(guī)律進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過前2個(gè)循環(huán)周期的運(yùn)動(dòng)磨合，殘余應(yīng)力分布范圍隨著法向作用力的增大而增大，塑性應(yīng)變隨著作用力的增大而增大，但在一定的等效塑性應(yīng)變累積后，殘余應(yīng)力的演變和塑性應(yīng)變的分布逐漸趨于穩(wěn)定。

基于工程技術(shù)應(yīng)用的數(shù)值模擬技術(shù)正逐漸成為研究學(xué)者的重要研究工具，通過對(duì)多種形式表面滾壓強(qiáng)化技術(shù)的有限元分析可以有效地表征實(shí)驗(yàn)研究中的參數(shù)化問題，能較好地輔助實(shí)驗(yàn)研究，將實(shí)驗(yàn)研究中的單一力學(xué)或多種物理溫度場耦合與數(shù)值模擬有機(jī)結(jié)合，可以提前預(yù)判實(shí)驗(yàn)中可能存在的問題，避免出現(xiàn)工作流程耗時(shí)且煩瑣的情況，進(jìn)一步提高了工作效率。

4 超聲滾壓技術(shù)的性能應(yīng)用研究

在工程應(yīng)用領(lǐng)域中，機(jī)械裝備的工作環(huán)境十分嚴(yán)苛，常會(huì)承受高溫、高壓、高沖擊載荷的復(fù)合作用，甚至受到腐蝕體、氣體、液體或固液熔融狀態(tài)等多種復(fù)雜工況的交變作用，零部件的接觸表面易受到初始破壞，零部件在受載時(shí)局部位置會(huì)發(fā)生永久的累積損傷，在一定的循環(huán)次數(shù)后會(huì)產(chǎn)生裂紋，或發(fā)生表面磨損、疲勞損傷等，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械部件的失效。進(jìn)一步改善材料表面層的綜合性能對(duì)提高機(jī)械部件在嚴(yán)苛工況中的壽命周期具有積極作用，因此，在表面技術(shù)已有發(fā)展的基礎(chǔ)上，研究超聲滾壓技術(shù)對(duì)材料的耐磨性、耐疲勞性、耐沖蝕性及耐腐蝕性等眾多性能的改善效果顯得十分重要。

4.1 耐磨性和耐疲勞性

在極端工況條件下，機(jī)械零部件的失效大多表現(xiàn)為材料的表面磨損和疲勞斷裂。經(jīng)超聲滾壓處理的材料具有更好的表面拋光效果，降低了表面粗糙度，基本消除了材料內(nèi)部的孔隙和裂紋，細(xì)化了晶粒尺寸，提高了表面層硬度和塑性變形能力，產(chǎn)生了加工硬化效應(yīng)，提高了零部件抗磨損和抗疲勞的能力。根據(jù) Cloaco R 理論，材料的磨損體積計(jì)算如式（1）所示。

式中：Q′為材料的磨損體積量；K′為比例系數(shù)；d為硬質(zhì)顆粒的直徑；H0為材料的硬度；φ為硬質(zhì)相的體積分?jǐn)?shù)；λ′為硬質(zhì)相脫落概率；FN為外部施加載荷；ψ為磨粒角度；β為常量。

由式（1）可知，材料的耐磨性與硬質(zhì)顆粒的直徑、硬質(zhì)相的體積分?jǐn)?shù)、脫落概率和外部施加載荷等因素有關(guān)。經(jīng)超聲滾壓后，材料內(nèi)部具有良好的晶粒細(xì)化效果，硬質(zhì)相顆粒尺寸減小，在相同體積下的晶粒數(shù)量增加，材料的硬度和抵抗塑性變形的能力得到提升，硬質(zhì)相脫落的概率變小。在載荷一定的條件下，經(jīng)超聲滾壓處理后材料的磨損體積明顯減少。

Yao 等[46]研究了718 鎳合金在車削和超聲滾壓強(qiáng)化過程中材料表面完整性的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于未超聲滾壓的車削表面，經(jīng)超聲滾壓處理后的試樣發(fā)生了劇烈的塑性形變，位錯(cuò)密度迅速增加，更有利于修復(fù)車削表面的微觀損傷，表面粗糙度由0.45 μm 降低到0.2 μm，最大降幅約為56%，細(xì)化了組織的晶粒，殘余應(yīng)力和硬化層深度進(jìn)一步提高，軸向殘余壓應(yīng)力約為1 800 MPa，表面最大顯微硬度為593.28HV，最大硬化層厚度為170 μm。結(jié)合磨損體積公式可知，這些性能的疊加作用使得經(jīng)過超聲滾壓處理后鎳合金的耐磨性和耐疲勞性得到大大改善。Amanov 等[47]探究了Inconel 690 合金局部熱處理超聲滾壓前后的微動(dòng)磨損性能，發(fā)現(xiàn)未處理試樣的摩擦因數(shù)和微動(dòng)磨損較大，磨粒磨損嚴(yán)重，經(jīng)加熱改性處理后合金的微動(dòng)磨痕（圖11）減小，歸因于改性后合金表面質(zhì)量的改變、表層組織的細(xì)化和殘余壓應(yīng)力的形成等。Yin 等[48]研究了超聲滾壓對(duì)Inconel 690 合金摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲滾壓后合金發(fā)生了加工硬化效應(yīng)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，試樣表面的硬度和殘余應(yīng)力相較于原始試樣分別提升了約44.4%和33.3%，影響層深度達(dá)到400 μm，摩擦因數(shù)降低了約23.5%，磨痕輪廓（圖12）明顯變小，磨損機(jī)制為疲勞分層和剝落，這得益于超聲滾壓后的晶粒細(xì)化，以及顯微硬度和殘余應(yīng)力的增加，很好地提高了690 合金的疲勞壽命和耐磨性。Kattoura 等[49]研究了超聲滾壓對(duì)718Plus 合金顯微組織、殘余應(yīng)力、顯微硬度及疲勞行為的影響，發(fā)現(xiàn)超聲滾壓后的合金組織結(jié)構(gòu)因劇烈的塑性變形而發(fā)生改變，在梯度范圍內(nèi)合金表層出現(xiàn)了納米微晶，同時(shí)還兼有位錯(cuò)密度由高到低的定向亞晶和變形孿晶，提升了合金的表面硬度和殘余壓應(yīng)力，進(jìn)而阻礙了疲勞裂紋的形核和擴(kuò)展，使得裂紋擴(kuò)展速率降低了約66%，疲勞壽命提升了約13.5%。

圖11 熱處理超聲滾壓前后微動(dòng)磨痕SEM[47]Fig.11 SEM of fretting wear scars before and after heat treatment and ultrasonic rolling[47]:a) untreated; b) heat treated; c) untreated partial enlargement; d) heat treated partial enlargement

圖12 磨損疤痕的顯微照片[48]Fig.12 Micrographs of wear scars[48]: a) untreated, impact velocity of 120 mm/s,sliding velocity of 0 mm/s; b) URSP treated, impact velocity of 120 mm/s, sliding velocity of 0 mm/s; c) untreated, impact velocity of 120 mm/s, sliding velocity of 120 mm/s; d) URSP treated, impact velocity of 120 mm/s, sliding velocity of 120 mm/s

通過以上分析可知，超聲滾壓導(dǎo)致的塑性變形改變了材料表層的微觀組織結(jié)構(gòu)，對(duì)材料表面硬度的提升也有較好的效果。同時(shí)，引入的高值殘余壓應(yīng)力能抑制疲勞裂紋的擴(kuò)展，由于其表面完整性（微觀組織、硬化程度、殘余應(yīng)力等）的改善降低了磨損階段的累積損傷，使得超聲滾壓或復(fù)合超聲滾壓處理試樣表現(xiàn)出較好的耐磨性和抗疲勞破壞的能力。

4.2 耐沖蝕性和耐空蝕性

在工程機(jī)械中，如水利部件的葉片、石油鉆井的膨脹錐等零部件經(jīng)常會(huì)受到泥沙的沖蝕或巖流氣蝕作用，導(dǎo)致其表面磨損嚴(yán)重。超聲滾壓（USRP）是一種自納米技術(shù)，可以引入強(qiáng)塑性變形，細(xì)化晶粒，在材料表層形成梯度納米硬化層，能夠消除材料表層的微觀劃痕等缺陷，減少孔隙結(jié)構(gòu)，這有利于形成密度穩(wěn)定的鈍化膜。通過對(duì)微觀組織的演變、表面硬度的提升和殘余應(yīng)力的調(diào)節(jié)等方面的協(xié)同處理，有助于提高材料的耐沖蝕性。部分產(chǎn)品的表面強(qiáng)化還擴(kuò)展應(yīng)用于涂層的超聲滾壓強(qiáng)化，通過對(duì)金屬材料表層進(jìn)行超聲滾壓強(qiáng)化處理發(fā)現(xiàn)，可以大大提升材料的表面性能，如耐沖蝕和耐空蝕等性能，從而增加零部件的服役壽命。

Shi 等[50]探究了USRP 對(duì)Ti-6Al-4V 合金抗沖蝕性能的影響，通過對(duì)超聲滾壓工藝參數(shù)的調(diào)控，鈦合金的硬度提高了約30%，納米晶粒尺寸小于100 nm。在30°、60°和90°等3 個(gè)角度的沖擊測試中，發(fā)現(xiàn)未處理合金表面不均勻（圖13a、c、e），沖蝕后損傷嚴(yán)重，經(jīng)USRP 處理后合金的表面組織均勻（圖13b、d、f），抗沖蝕性能提升了2～3 倍，且在低角度沖擊條件下的影響更明顯，表現(xiàn)出較好的耐沖蝕性能。Li等[39]研究了超聲滾壓次數(shù)對(duì)3044SS 空蝕行為的影響，闡明了不同超聲滾壓次數(shù)下耐空蝕的微觀機(jī)制，探究了試樣質(zhì)量損失與超聲滾壓處理后的表面粗糙度及微觀組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，超聲滾壓實(shí)現(xiàn)了材料的表面納米化和組織相變，并且通過鈍化膜的形成、表面硬度的提升和殘余壓應(yīng)力的引入等方面的聯(lián)合作用，有效地避免了304SS 空蝕行為的發(fā)生。在超聲滾壓10 次時(shí)，凹坑小且薄，微觀形貌（圖14）較為平坦，具有較佳的抗空蝕性能。Gujba 等[51]采用超聲滾壓對(duì)Ti-6Al-4V 合金進(jìn)行表面納米改性，發(fā)現(xiàn)超聲滾壓后的合金發(fā)生了劇烈的塑性變形，在表層區(qū)域呈現(xiàn)梯度變化的細(xì)化組織，且在表層30 μm 處存在顯微硬度最大值，這歸因于微觀組織結(jié)構(gòu)的細(xì)化和顯微硬度的增加，改善了合金的抗沖蝕性能。在沖擊速度250 m/s 下的不同時(shí)間階段均表現(xiàn)出顯著的侵蝕改善效果，其質(zhì)量損失相較于未處理試樣大約降低了一半，而殘余應(yīng)力對(duì)沖蝕性能的影響卻不大。

圖13 超聲滾壓前后沖蝕形貌SEM[50]Fig.13 SEM of erosion morphology before and after ultrasonic rolling[50]: a) untreated sample, impact angle of 90°;b) USRP, impact angle of 90°; c) untreated sample, impact angle of 60°; d) USRP, impact angle of 60°;e) untreated sample, impact angle of 30°; f) USRP, impact angle of 30°

圖14 不同超聲滾壓次數(shù)下UCEP 試樣3 h 測試的微觀形態(tài)、粗糙度和相移[39]Fig.14 Microscopic morphology, roughness and phase shift of UCEP specimens tested for three hours under different times of ultrasonic rolling[39]

通過以上分析可知，超聲滾壓技術(shù)通過對(duì)材料納米結(jié)構(gòu)和表面完整性的協(xié)同改善作用，可以細(xì)化材料的內(nèi)部組織，減少材料的表面微觀缺陷，提升材料的表面硬度和殘余壓應(yīng)力，使得沖擊接觸力得到增強(qiáng)，對(duì)材料的耐沖蝕和耐空蝕性能具有顯著的改善作用。

4.3 抗腐蝕性和抗氧化性

海洋石油裝備、海上飛機(jī)、深海潛艇等大型機(jī)械設(shè)備在作業(yè)時(shí)，常常受到十分復(fù)雜的惡劣天氣，以及海浪、海流、潮汐的復(fù)合作用，會(huì)受到不同程度的腐蝕、沖蝕和沖擊等作用，在長久的損傷累積下，零部件逐漸發(fā)生腐蝕和疲勞失效，這嚴(yán)重縮短了零部件的使用壽命，降低了機(jī)械裝備的使用安全性。超聲滾壓加工可以改善試樣表面的微小損傷，形成超細(xì)納米結(jié)構(gòu)層，有效提升材料的表面完整性。為了提升機(jī)械部件的服役安全性，結(jié)合超聲滾壓技術(shù)在材料表面完整性方面的獨(dú)特優(yōu)勢，依據(jù)產(chǎn)品防護(hù)需求開發(fā)出具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的超聲滾壓組合工藝具有重要意義，從而提高機(jī)械零部件的疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性和抗氧化性。

Xu 等[52]采用超聲滾壓技術(shù)對(duì)7B85-T6 合金進(jìn)行了表面納米化，以提高合金的表面抗腐蝕性能，結(jié)果表明，在初始靜壓力為0.3 MPa、滾壓深度為0.2 mm的條件下，可以獲得相對(duì)最優(yōu)的強(qiáng)化效果，超聲滾壓前后合金腐蝕性能的開路電路和電位極化曲線如圖15 所示。經(jīng)超聲滾壓后合金的晶粒尺寸減小至原始尺寸的0.43%左右，合金的平均微應(yīng)變?cè)黾又猎紤?yīng)變的548%，受益于其表面微應(yīng)變與納米顆粒的共同作用，使得7B85-T6 合金孔徑變小，腐蝕膜變得更加致密，腐蝕后生成的Al(OH)3和Al2O3有利于減少有害物析出，降低了腐蝕速率，從而提高材料的抗腐蝕性和抗氧化性。Xu 等[53]研究了超聲滾壓表面強(qiáng)化工藝對(duì)7B50-T7751 鋁合金耐腐蝕行為的影響（見圖16），結(jié)果表明，未經(jīng)超聲滾壓的合金抵抗腐蝕的能力較弱，易發(fā)生點(diǎn)蝕，平均點(diǎn)蝕面積百分比為（18.50±0.71）%，平均腐蝕深度為（147.2±69.8）μm，單道次和滾壓12 次樣品的平均點(diǎn)蝕面積百分比分別為（6.34±2.87）%和（3.67±0.89）%，相應(yīng)的平均腐蝕深度分別為（104.3±59.1）μm 和（65.3±38.5）μm。采用1 次和12 次超聲滾壓處理均可以顯著提高合金的局部耐蝕性。其中，單道USRP 處理樣品的耐腐蝕性提高的原因主要是超聲滾壓將殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力，有效抑制了腐蝕裂紋的萌生與擴(kuò)展。然而，殘余應(yīng)力對(duì)12 次USRP 處理后樣品的耐腐蝕性的影響卻不明顯，此時(shí)腐蝕性能增強(qiáng)的原因主要是多道USRP 處理引起的納米晶體表面和均勻的表面微觀結(jié)構(gòu)。崔學(xué)軍等[54]采用超聲滾壓對(duì)AZ31B 鎂合金進(jìn)行了表面預(yù)處理，研究了超聲滾壓表面前處理對(duì)氧化鍍膜處理工藝的促進(jìn)機(jī)制，結(jié)果表明，經(jīng)超聲滾壓處理后合金的基體具有較好的微觀組織結(jié)構(gòu)，表面粗糙度降低，晶粒細(xì)化，表面硬度得到提升，經(jīng)過預(yù)處理的鎂合金微弧氧化陶瓷涂層的自由腐蝕電位和阻抗更高，腐蝕電流密度降低了1 個(gè)數(shù)量級(jí)。由此可見，利用超聲滾壓自身的工藝優(yōu)勢及作為其他技術(shù)的前處理工藝，可進(jìn)一步提高微弧氧化膜層的綜合性能，進(jìn)而降低材料的腐蝕速率，提升材料的抗腐蝕性和抗氧化性。

圖15 超聲滾壓前后合金腐蝕性能的開路電位和動(dòng)電位極化曲線[52]Fig.15 Open circuit potential and potential polarization curves of the alloy corrosion performance before and after ultrasonic rolling[52]: a) open circuit potential; b) potential polarization curves

圖16 超聲滾壓前后合金試樣浸漬實(shí)驗(yàn)的截面SEM 及腐蝕深度變化[53]Fig.16 Cross-sectional SEM and corrosion depth changes of alloy sample immersion experiment before and after[53]:a) untreated sample; b) local magnification of untreated sample; c) UR1; d) UR1-R; e) UR12-P;f) UR12-PR; g) local magnification of UR12-PR; h) corrosion depth statistics of the sample

通過以上分析可知，超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)是表面工程領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的技術(shù)，采用超聲滾壓能夠提高材料的整體性能，主要通過高頻超聲沖擊及靜壓力結(jié)合的滾壓工藝，使材料表層產(chǎn)生高值殘余壓應(yīng)力。這種有益的殘余應(yīng)力可以抑制裂紋的形成和擴(kuò)展，進(jìn)而獲得材質(zhì)均勻、表面光滑、耐蝕好的表面狀態(tài)，從而提高材料的抗疲勞特性。該技術(shù)提升材料性能的原因主要在于，經(jīng)超聲滾壓后材料的表面缺陷減少，使得材料具有較低的表面粗糙度和摩擦因數(shù)，加上表面納米化和加工硬化效果賦予了其表面高硬度的特性，同時(shí)殘余壓應(yīng)力的引入減少了表面裂紋的萌生與擴(kuò)展，也能有效抵抗材料表面的磨損失效，延緩表面腐蝕的速率。雖然超聲滾壓后表面完整性的改善效果較好，提升了材料的物理特性和表面防護(hù)能力，但與此相關(guān)的性能改善機(jī)理十分復(fù)雜。隨著工況和工藝的不同可能會(huì)有新的作用因素，因此，進(jìn)一步研究超聲滾壓技術(shù)在改善表面性能、抗疲勞、耐腐蝕和耐磨損等方面的影響機(jī)制對(duì)主動(dòng)調(diào)控超聲加工試樣的質(zhì)量至關(guān)重要。

5 超聲滾壓技術(shù)的復(fù)合工藝研究

隨著對(duì)超聲滾壓技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深入，應(yīng)用范圍從最初針對(duì)金屬材料表面超聲滾壓的研究拓展到了復(fù)合材料、涂層材料，甚至從傳統(tǒng)機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)、軍工航天、石油工程等領(lǐng)域，對(duì)工程零部件材料的表面性能指標(biāo)提出了更高的要求。結(jié)合常規(guī)超聲滾壓加工特有的優(yōu)勢，輔助施加外界可控的物理場作用于材料表面，通過添加其他的工藝處理技術(shù)與超聲滾壓技術(shù)的耦合作用使得超聲滾壓輔助表面強(qiáng)化復(fù)合加工技術(shù)更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的后處理，并由此發(fā)展了多種超聲滾壓輔助強(qiáng)化工藝，為材料表面后處理技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用與發(fā)展提供了新的方向。研究將超聲滾壓與其他表面強(qiáng)化工藝耦合后（高溫、重熔、電脈沖物理場施加及其他輔助工藝）的協(xié)同作用，對(duì)提高材料表面性能（增強(qiáng)抗腐蝕和耐磨性等方面）具有積極作用。

5.1 溫度場輔助超聲滾壓后處理

溫度場輔助超聲滾壓工藝是在常溫超聲滾壓的基礎(chǔ)上增加了加熱處理工序，使材料在一定的溫度下進(jìn)行超聲滾壓加工。適當(dāng)?shù)募訜釡囟扔兄诓牧系乃苄宰冃魏统暆L壓過程微觀裂紋的愈合，低溫超聲滾壓下的表面硬化層深度和殘余壓應(yīng)力隨著溫度的升高而增加，但過高的溫度會(huì)導(dǎo)致材料表面應(yīng)變能降低，增加材料的位錯(cuò)遷移能量，原子的活力增強(qiáng)，材料更容易向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，殘余壓應(yīng)力和加工硬化層更容易發(fā)生熱松弛，因此也可能導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力的下降。

Li 等[55]研究了不同溫度下（80、120、160 ℃）超聲滾壓對(duì)HIP Ti–6Al–4V 合金表層組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)在不同溫度下超聲滾壓截面組織（圖17）變得致密，沿塑性變形深度呈現(xiàn)梯度分布規(guī)律。相較于常溫超聲滾壓，經(jīng)低溫超聲滾壓后材料發(fā)生了更劇烈的塑性變形，組織細(xì)化和加工硬化效果也更為顯著，其微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能得到提升，具有更好的表面改性效果。120 ℃超聲滾壓試樣的表面粗糙度最低，與未處理試樣相比其硬度提升了約28%，殘余應(yīng)力提升了約109%。結(jié)合摩擦磨損試驗(yàn)和磨痕形貌可知，摩擦因數(shù)和磨損量明顯降低，經(jīng)高溫超聲滾壓后合金的磨損性能明顯優(yōu)于未處理試樣，但尚未對(duì)磨損量進(jìn)行定量分析。Luan 等[56]采用超聲滾壓技術(shù)研究了45CrNiMoVA 超高強(qiáng)度鋼在梯度溫度下（100、150、200、300 ℃）的表面微觀形貌、殘余應(yīng)力和顯微硬度等方面的演變機(jī)制。結(jié)果表明，采用超聲滾壓技術(shù)能達(dá)到較好的表面精加工效果。在高溫超聲滾壓過程中，超聲沖擊能量和熱場的耦合作用使得材料發(fā)生了加工硬化、時(shí)效硬化和沉淀硬化，得到了高值殘余應(yīng)力和較大的影響層深度（圖18），在溫度場熱效應(yīng)下的超聲滾壓處理對(duì)殘余應(yīng)力有著積極影響。在溫度150～200 ℃內(nèi)，經(jīng)超聲滾壓后材料的表面完整性最好。Su 等[57]研究了超聲滾壓對(duì)TC11 鈦合金材料表面強(qiáng)化的作用規(guī)律，分析了采用車削、常溫超聲滾壓和中溫超聲滾壓等3 種處理后試樣的表面層特征，表明采用常溫和中溫超聲滾壓后試樣均表現(xiàn)出優(yōu)于未經(jīng)過超聲滾壓試樣的表面形貌，促進(jìn)了材料的表面硬化和顯微硬度的提升，同時(shí)降低了表面粗糙度，但中溫超聲滾壓處理相較于常溫超聲滾壓處理具有更好的晶粒細(xì)化程度和更大的殘余應(yīng)力值，耐腐蝕性能也更佳。

圖17 不同溫度下超聲滾壓截面組織[55]Fig.17 Ultrasonic rolling section structure at different temperatures[55]

圖18 不同工況下軸向殘余應(yīng)力隨深度的分布[56]Fig.18 Distribution of axial residual stress along with depth under different conditions[56]

由以上分析可知，相較于未滾壓及常溫超聲滾壓試樣，加工時(shí)引入適當(dāng)溫度后可以進(jìn)一步降低變形抗力，獲得更細(xì)小的微觀組織，具有促進(jìn)位錯(cuò)的移動(dòng)與擴(kuò)散，提升殘余壓應(yīng)力的作用深度，形成較厚的硬化層等優(yōu)勢，從而提升材料的表面完整性。

5.2 重熔輔助超聲滾壓后處理

采用激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）成形的零部件具有較好的綜合力學(xué)性能，但其表面質(zhì)量不佳、表面粗糙度高，成形材料存在空隙和微觀組織缺陷，導(dǎo)致零件表面受載后過快失效，所以優(yōu)化SLM 成形零件的后處理工藝具有工程應(yīng)用價(jià)值。超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)憑借靜壓力與動(dòng)態(tài)高頻超聲振動(dòng)能量的聯(lián)合作用，能顯著提升材料的塑性變形能力，進(jìn)而改善材料的表面性能和力學(xué)性能。通過重熔與超聲滾壓的耦合能較好地消除SLM 成形材料的缺陷，達(dá)到改善SLM 成形試樣的表面完整性和整體使用性能的目的。

Wang 等[58]采用激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）制備了Ti6Al4V 合金，隨后通過超聲滾壓技術(shù)對(duì)其進(jìn)行表面強(qiáng)化，得到了厚度為300 μm 的梯度結(jié)構(gòu)變形層（圖19），由粗片層α 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌?xì)片層晶粒、超細(xì)等軸晶粒和納米晶粒，極大地提高了變形層的硬度。Wang 等[59]還研究了熱處理（HT）、超聲滾壓（USRP）和直流電加熱輔助超聲滾壓（DC-USRP）對(duì)激光選區(qū)熔化Ti6Al4V 合金試樣微觀組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和微動(dòng)磨損特性的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)USRP 和DC-USRP 處理后試樣的晶粒細(xì)化、殘余應(yīng)力減小程度和硬度增加程度（如圖20）相較于未處理試樣更為顯著，生成了高密度纏結(jié)位錯(cuò)的納米組織結(jié)構(gòu)，表面硬度由3.3 GPa 分別增加到3.9 GPa 和4.2 GPa，殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力。同時(shí)，試樣的殘余應(yīng)力隨著距表層深度的增加而降低，并在距表層150 μm范圍內(nèi)為殘余壓應(yīng)力，經(jīng)DC-USRP 處理后試樣的殘余應(yīng)力變化規(guī)律與USRP 處理趨勢總體相似，都大幅降低了材料的摩擦因數(shù)和磨損率（圖21），磨損機(jī)制表現(xiàn)為輕微的磨粒磨損。Zhang 等[60]探究了熱輔助超聲滾壓（UWB/HT）激光熔覆Fe 基涂層表面性能的改善機(jī)制，發(fā)現(xiàn)相較于未處理試樣，經(jīng)UWB/HT 處理后試樣產(chǎn)生了更大的塑性變形，殘余壓應(yīng)力誘導(dǎo)效應(yīng)得到提高，鐵基涂層的粗糙度和孔隙率分別降低了約87.86%和65.41%，硬度提高了約34.88%，摩擦因數(shù)和磨損率分別降低了約20.87%和49.90%。這得益于UWB/HT 處理后材料表面完整性的增強(qiáng)，其摩擦學(xué)性能得到改善，UWB/HT 處理前后熔覆層磨損軌跡的3D 圖及截面圖如圖22 所示。

圖19 超聲滾壓處理試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)[58]Fig.19 Microstructure of the sample processed by ultrasonic rolling[58]

圖20 不同工藝處理后試樣的硬度和梯度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力[59]Fig.21 Residual stress in hardness and gradient range of specimens treated with different processes[59]:a) hardness; b) residual stress in gradient range

圖21 不同工藝處理后試樣的摩擦因數(shù)和磨損率[59]Fig.21 Friction coefficient and wear rate of samples treated with different processes[59]: a) friction coefficient; b) wear rate

圖22 UWB/HT 前后熔覆層磨損軌跡的3D 圖及截面圖[60]Fig.22 3D images and cross-sectional views of the wear track of the cladding layer before and after UWB/HT[60]: a) untreated sample; b) UWB/HT treated sample

經(jīng)分析認(rèn)為，材料性能的提升是由于引入的高溫?zé)嵩唇档土瞬牧系募庸び不潭?，微觀塑性變形程度進(jìn)一步加劇，硬度和殘余應(yīng)力增加，在表面完整性增強(qiáng)作用下改變了摩擦磨損機(jī)制，提升了材料的耐磨性和疲勞性能。重熔輔助超聲滾壓技術(shù)的優(yōu)勢在于通過超聲滾壓技術(shù)改善了SLM 成形試樣的質(zhì)量缺陷，不僅為試樣缺陷改善及零部件表面修復(fù)提供了后處理工藝方法，也為制備高性能合金材料提供了理論支撐，在重熔缺陷修復(fù)中應(yīng)從微觀納米結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理對(duì)試樣質(zhì)量進(jìn)行主動(dòng)控制。

5.3 電脈沖輔助超聲滾壓后處理

電脈沖輔助超聲滾壓（EP-USRP）是一種新型的材料表面改性技術(shù)。該技術(shù)通過在超聲滾壓（USRP）過程中引入脈沖電流，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬材料塑性變形再結(jié)晶、原子擴(kuò)散、相的轉(zhuǎn)變、微裂紋愈合及抵抗疲勞等效果。研究該技術(shù)下的組織演變機(jī)理與性能改善指標(biāo)之間的優(yōu)選關(guān)系，能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)材料組織的微晶化調(diào)控和表面完整性的改善效果，進(jìn)而提升材料的綜合性能。

Wang 等[61]研究了電脈沖輔助超聲滾壓后處理工藝對(duì)AISI 304 不銹鋼的表面性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，EP-USRP 工藝有助于表面裂紋的愈合，以及獲得較低的表面粗糙度和較高的表面硬度（如圖23），形成梯度分布的表面納米強(qiáng)化層。在相對(duì)較低的脈沖電流密度下，表層產(chǎn)生的超細(xì)顆粒小于USRP誘導(dǎo)的超細(xì)顆粒，獲得了較好的表面顯微硬度。隨著脈沖電流密度的增加，超細(xì)晶粒開始長大，表面硬度下降。Wang 等[62]還研究了電脈沖輔助超聲滾壓過程中AISI 304 不銹鋼微觀組織和力學(xué)性能的變化規(guī)律。與未施加電脈沖的USRP 相比，EP-USRP 可以有效促進(jìn)AISI 304 不銹鋼在600 Hz 下表面裂紋的愈合，獲得較好的表面質(zhì)量，進(jìn)一步提高表面硬度和殘余壓應(yīng)力。分析認(rèn)為，USRP 通過塑性應(yīng)變使得不同方向的變形孿晶實(shí)現(xiàn)了晶粒的分割，獲得了晶粒細(xì)化效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了組織的強(qiáng)化和性能的改善。EP-USRP使得材料強(qiáng)化的原因在于，引入的電脈沖改變了材料的塑性變形機(jī)制，促進(jìn)了位錯(cuò)的交叉與滑移，通過位錯(cuò)交叉、滑移形成了更多的位錯(cuò)胞和位錯(cuò)纏結(jié)，使得更多的馬氏體相變成核中心的交點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)馬氏體相變和晶粒細(xì)化的轉(zhuǎn)變（如圖24—25）。Sun 等[63]采用EP-USRP 工藝對(duì)鎳鋁青銅（NAB）進(jìn)行表面強(qiáng)化，發(fā)現(xiàn)NAB 的表面粗糙度從未處理車削試樣Ra0.733 μm降低到Ra0.050 μm，消除了車削溝壑，表面變得光滑，表面硬度由160HV 提高到267HV，形成了厚度為1 000 μm 的梯度組織結(jié)構(gòu)，在腐蝕3 h 后磨損質(zhì)量損失率降低了約47%。結(jié)合腐蝕后的微觀形貌（圖26）可知，車削面的空化腐蝕最為嚴(yán)重，經(jīng)USRP 后樣品表面產(chǎn)生了少量的空蝕坑，EP-USRP 表面只有少量的小空化腐蝕坑，腐蝕表面的形貌與質(zhì)量損失結(jié)果一致。由此可見，EP-USRP 工藝能夠改善材料的表面性能、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，有效提高了NAB 抗腐蝕性能。

圖23 表面強(qiáng)化層內(nèi)橫截面顯微硬度梯度分布[61]Fig.23 Cross-sectional micro-hardness gradient distribution within the surface strengthened layer[61]

圖24 USRP 和EP-USRP 處理后強(qiáng)化層TEM[62]Fig.24 Strengthened layer TEM after USRP and EP-USRP treatment[62]: a) USRP surface; b) USRP, 30 μm;c) EP-USRP surface; d) EP-USRP, 30 μm; e) SAED pattern corresponding to Fig.24c

圖26 不同后處理工藝試樣的腐蝕形貌及USRP 處理后腐蝕坑的EDS 譜圖[63]（a 未處理試樣表面；b USRP 表面；c EP–USRP 表面；d 未處理試樣截面；e USRP 截面；f EP–USRP 截面；g USRP 腐蝕坑截面；h USRP 腐蝕坑表面；i USRP 腐蝕坑EDS 譜圖）Fig.26 Corrosion morphologies of samples with different post-treatment processes and EDS patterns of corrosion pits after USRP treatment[63]: a) Untreated sample surface; b) USRP surface; c) EP-USRP surface; d) Untreated sample cross-section; e) USRP cross-section; f) EP-USRP cross-section;g) USRP corrosion pit section; h) USRP corrosion pit surface; i) USRP corrosion pit EDS patterns

由以上分析可知，EP-USRP 工藝解決了傳統(tǒng)USRP 工藝對(duì)組織細(xì)化的改性區(qū)域和殘余應(yīng)力的作用深度受限的問題，憑借電脈沖的高能量熱效應(yīng)，降低了材料的變形抗力，賦予材料較好的表面質(zhì)量和納米化組織結(jié)構(gòu)。同時(shí)，表面硬度和力學(xué)性能也得到提升。通過材料的塑性變形、相演變、加工硬化等效果的改善，增強(qiáng)了材料的表面完整性，使得該技術(shù)在抗疲勞磨損和抗腐蝕性能方面也有獨(dú)特的優(yōu)勢。

圖25 EP-USRP 處理AISI 304 不銹鋼強(qiáng)化表面層內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)演變過程[62]Fig.25 Microstructure evolution process in the strengthened surface layer of AISI 304 stainless steel treated with EP-USRP[62]

5.4 其他工藝輔助超聲滾壓后處理

隨著滾壓加工技術(shù)和理論體系的完善，將超聲滾壓加工技術(shù)與其他表面強(qiáng)化技術(shù)耦合的特有加工技術(shù)正推動(dòng)著新的材料后處理工藝不斷地創(chuàng)新發(fā)展，形成了多維度超聲、等離子滲氮、激光熔覆輔助超聲滾壓加工等一系列材料后處理復(fù)合工藝，為高性能材料的制備和零部件的修復(fù)提供了技術(shù)支持。以超聲滾壓加工技術(shù)為核心，研究者們?cè)诔曊穹虞d的形式和維度上進(jìn)行探索，開發(fā)了有關(guān)平面和曲面材料處理的一維、二維和橢圓超聲滾壓等加工工藝，通過超聲振幅多維度的加載，更好地實(shí)現(xiàn)材料加工過程的塑性變形，提升超聲滾壓系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定性，改善材料表面性能和力學(xué)性能。吳宜斌[65]自主搭建了單激勵(lì)橢圓超聲振動(dòng)滾壓系統(tǒng)，并對(duì)鋁合金試樣進(jìn)行了滾壓試驗(yàn)。結(jié)果表明，橢圓超聲振動(dòng)滾壓加工的滾壓效果比普通滾壓的效果更好。在同樣的滾壓參數(shù)下，采用橢圓超聲振動(dòng)滾壓系統(tǒng)處理的表面具有粗糙度更低、表面硬度更高的優(yōu)點(diǎn)。

Liu 等[66]研究了超聲滾壓和等離子滲氮耦合技術(shù)對(duì)Inconel 690TT 微動(dòng)磨損行為的影響。分別采用超聲滾壓（USRP）、等離子體氮化（PN），以及超聲滾壓與離子體氮化復(fù)合（USRP+PN）等工藝改善了試樣的微動(dòng)磨損性能。結(jié)果表明，采用超細(xì)晶界處理后，晶界含量增加；與未處理試樣相比，經(jīng)USRP、PN和USRP + PN 處理后試樣的表面硬度分別提高了約191%、295%和348%。這歸因于USRP 可以通過細(xì)化晶粒、形成梯度納米結(jié)構(gòu)層來提高試樣的表面硬度，磨損量分別降低了約72%、86%、96%，為Inconel 690TT 的表面微動(dòng)磨損性能的改善提供了一種可行的技術(shù)方法。Cui 等[67]采用高速激光熔覆技術(shù)制備了FeCoNiCrMn 高熵合金涂層，然后利用超聲滾壓技術(shù)對(duì)涂層進(jìn)行了后處理，研究了激光熔覆和超聲滾壓等2 種技術(shù)耦合輔助改善材料性能的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，采用激光熔覆輔助超聲滾壓后處理能夠獲得具有梯度結(jié)構(gòu)的納米細(xì)晶涂層，產(chǎn)生有益的殘余壓應(yīng)力，維持涂層表面氧化膜的穩(wěn)定性，提升涂層的耐腐蝕性能。袁建梁[68]研究了超聲滾壓技術(shù)對(duì)鋁合金及攪拌摩擦焊接頭（FSW）表面完整性和微觀組織結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)超聲滾壓的引入改善了鋁合金FSW 接頭的表面質(zhì)量和疲勞性能。魯金忠等[69]研究了激光沖擊強(qiáng)化+超聲滾壓復(fù)合工藝對(duì)AZ91D 鎂合金力學(xué)性能的影響，相較于激光沖擊試樣，處理后合金的表層晶粒細(xì)化明顯，避免了激光沖擊試樣粗糙度變大的問題，減小了應(yīng)力集中，殘余壓應(yīng)力提升了約61.5%，抗拉強(qiáng)度提升了約27.4%。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝和制造系統(tǒng)正在發(fā)生質(zhì)的變化，依托超聲滾壓的技術(shù)優(yōu)勢和研究進(jìn)展[70]，建立起完備的多技術(shù)輔助超聲滾壓的復(fù)合工藝[71]對(duì)制備高性能材料具有戰(zhàn)略意義。通過以上分析可知，超聲滾壓技術(shù)通過對(duì)殘余應(yīng)力、表面缺陷、微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等方面的協(xié)同調(diào)控實(shí)現(xiàn)了材料綜合性能的提升，在提升材料耐疲勞、耐磨損、耐熱沖擊、耐沖蝕和耐腐蝕等方面具有很好的效果，立足于國家發(fā)展戰(zhàn)略，將超聲滾壓技術(shù)的加工工藝、性能應(yīng)用、復(fù)合工藝用于提升高端裝備的表面性能和力學(xué)性能，具有十分廣闊的前景。

6 結(jié)語

筆者所在課題組在超聲滾壓改善金屬材料表面性能方面取得了大量的研究成果，提出了一種感應(yīng)重熔輔助超聲滾壓等離子噴涂涂層的后處理工藝方法。目前，國內(nèi)外研究學(xué)者采用超聲滾壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種金屬材料的后處理，通過單一的超聲滾壓或其他工藝輔助超聲滾壓的方法獲得了優(yōu)質(zhì)高效的材料，但也存在超聲滾壓自動(dòng)化設(shè)備的加工效率不夠穩(wěn)定、加工質(zhì)量還不夠高和工程領(lǐng)域的應(yīng)用還不廣泛等問題，在對(duì)材料殘余應(yīng)力的調(diào)節(jié)、納米結(jié)構(gòu)化的調(diào)控、表面質(zhì)量的改善與疲勞損傷的微觀作用機(jī)理之間的協(xié)同關(guān)系的研究還不深入，針對(duì)超聲滾壓技術(shù)的理論研究和應(yīng)用領(lǐng)域主要存在以下問題。

1）超聲滾壓技術(shù)大多應(yīng)用于常規(guī)金屬材料的性能增強(qiáng)，對(duì)于非金屬材料（如合成纖維、陶瓷涂層等）的熱輔助表面硬化研究相對(duì)較少，如何通過對(duì)工藝參數(shù)的協(xié)同調(diào)控來提升不同材料的表面完整性、拓展超聲滾壓技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域還有待深入研究。

2）針對(duì)超聲滾壓技術(shù)的工藝參數(shù)對(duì)材料表面完整性和疲勞壽命的作用規(guī)律還有待深入探究，缺乏對(duì)擇優(yōu)界面原子尺度結(jié)構(gòu)和模型的系統(tǒng)研究，未掌握超聲滾壓對(duì)表面完整性和擇優(yōu)界面原子尺度的關(guān)聯(lián)規(guī)律，對(duì)材料抗疲勞性能與工藝參數(shù)之間的協(xié)同調(diào)控關(guān)系研究得還不深入。

3）超聲滾壓復(fù)合加工技術(shù)的強(qiáng)化過程大多只存在單一的物理場作用，對(duì)多場耦合的復(fù)合超聲滾壓技術(shù)、超聲滾壓工具及超聲滾壓設(shè)備的研發(fā)能力還相對(duì)較弱，如不同超聲滾壓工藝下表面完整性的評(píng)估和檢測體系還不完善。

超聲滾壓加工技術(shù)具有性能穩(wěn)定、加工效率高和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，作為一種新興的材料表面處理技術(shù)，憑借系統(tǒng)特有的超聲振動(dòng)能量和靜態(tài)載荷聯(lián)合作用于材料表面，能夠較好地改善材料的表面完整性狀態(tài)，進(jìn)一步提高材料的耐磨性、耐疲勞性、耐沖蝕性和抗腐蝕性等綜合性能，同時(shí)也為我國高端機(jī)械裝備的綠色制造提供了技術(shù)支撐?；诔暆L壓技術(shù)的成熟理論和廣闊的應(yīng)用需求，相信今后與之相關(guān)的超聲滾壓技術(shù)體系會(huì)不斷趨于完善。通過對(duì)當(dāng)前超聲滾壓技術(shù)在試驗(yàn)影響因素、性能應(yīng)用和復(fù)合加工工藝等方面的綜述與分析，對(duì)今后超聲滾壓技術(shù)的研究發(fā)展做出如下預(yù)測。

1）與超聲滾壓加工相關(guān)的多物理場/多學(xué)科交叉問題日益突出，憑借超聲滾壓技術(shù)的表面增益效果，多工藝輔助超聲滾壓的復(fù)合加工技術(shù)正迅猛發(fā)展，可進(jìn)一步補(bǔ)充、完善超聲滾壓技術(shù)的摩擦學(xué)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，建立超聲滾壓工藝-微觀機(jī)理-摩擦學(xué)性能的系統(tǒng)體系，以材料物理特性（微觀組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、光電特性）為響應(yīng)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)其他工藝輔助超聲滾壓加工參數(shù)的優(yōu)選，為生產(chǎn)應(yīng)用制定科學(xué)合理的工藝技術(shù)規(guī)范。

2）在已有的常溫超聲滾壓優(yōu)化參數(shù)基礎(chǔ)上，通過組合其他工藝，進(jìn)而改進(jìn)常溫超聲滾壓工藝的技術(shù)缺陷，進(jìn)一步探究復(fù)合工藝下該技術(shù)獲得的材料表面完整性的改善效果與組織強(qiáng)化機(jī)理之間的關(guān)系，并研究與此相關(guān)的多場耦合作用，主要包括超聲能量場、應(yīng)力場與溫度場之間相互影響的關(guān)系?；诒砻嫱暾缘恼{(diào)控，可將數(shù)值模擬技術(shù)與試驗(yàn)研究相結(jié)合，開發(fā)新型超聲滾壓復(fù)合強(qiáng)化工藝，同時(shí)研究一維/多維超聲滾壓復(fù)合工藝的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型和晶粒尺度的微觀結(jié)構(gòu)演變機(jī)理，建立超聲滾壓加工參數(shù)對(duì)試樣表面完整性及疲勞壽命之間的預(yù)測關(guān)系。

3）擴(kuò)大超聲滾壓加工相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)表面工程中涂層后處理技術(shù)的應(yīng)用和再制造工程的發(fā)展，助力深?？碧?、航天衛(wèi)星等領(lǐng)域的高性能材料制備與零部件的二次修復(fù)使用。研究超聲滾壓對(duì)鋁及鋁合金等材料焊接頭、高強(qiáng)度難加工材料、自修復(fù)智能涂層、精密機(jī)器人軸承部件、模具型腔、復(fù)雜曲面零部件的后處理工藝。同時(shí)，對(duì)有關(guān)增材制造（如等離子噴涂缺陷、激光選區(qū)熔化技術(shù)）、激光沖擊帶來的表面缺陷、應(yīng)力集中等問題進(jìn)行探究，尋求經(jīng)濟(jì)可靠的超聲滾壓復(fù)合工藝方案，以及擇優(yōu)選擇工藝參數(shù)，更好地滿足人們對(duì)高性能材料的追求。

4）研制加工性能優(yōu)異的超聲滾壓設(shè)備，尤其需構(gòu)建具有實(shí)時(shí)在線監(jiān)測超聲滾壓參數(shù)的復(fù)合控制系統(tǒng)，減小加工過程中外擾信號(hào)的影響，輔以視覺檢測技術(shù)對(duì)加工過程中的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲加工系統(tǒng)的閉環(huán)控制。