陶冠羽，駱小雙，孫清云，段海濤

超聲表面滾壓技術(shù)及其組合工藝現(xiàn)狀

陶冠羽，駱小雙，孫清云，段海濤

（武漢材料保護(hù)研究所有限公司，武漢 430030）

概述了USRP在磨損、疲勞以及腐蝕領(lǐng)域的防護(hù)現(xiàn)狀，并對其防護(hù)機(jī)理進(jìn)行了討論。同時歸納了USRP技術(shù)存在的問題，比如當(dāng)表面強(qiáng)化層的塑性變形程度達(dá)到一定的極限時，不僅很難進(jìn)一步提高材料性能，繼續(xù)加工更會導(dǎo)致起皺、開裂等表面缺陷的產(chǎn)生，最終致使材料性能惡化。在此基礎(chǔ)上，重點綜述了組合USRP工藝的研究進(jìn)展，并按照組合工藝中USRP技術(shù)的時間順序，分為前端組合（超聲滾壓–等離子滲技術(shù)、超聲滾壓–物理氣相沉積技術(shù)、超聲滾壓–微弧氧化技術(shù)等）、后端組合（熱處理–超聲滾壓技術(shù)、激光沖擊–超聲滾壓技術(shù)、激光熔覆–超聲滾壓技術(shù)、激光選區(qū)熔化–超聲滾壓技術(shù)等）以及同步復(fù)合工藝（電脈沖輔助超聲滾壓技術(shù)、溫度場輔助超聲滾壓技術(shù)等）。最后，就USRP技術(shù)及其組合工藝進(jìn)一步的研究和發(fā)展方向進(jìn)行了展望，為USRP后續(xù)研究及應(yīng)用提供技術(shù)參考。

金屬防護(hù)；超聲滾壓；表面組合工藝；碳中和

金屬材料素有“工業(yè)骨骼”之稱，其憑借良好的物理、化學(xué)、力學(xué)等性能而被廣泛應(yīng)用于通信、電子、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域[1-4]，是現(xiàn)代科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)與先導(dǎo)。在國務(wù)院印發(fā)的國家行動綱領(lǐng)《中國制造2025》[5]和十三屆全國人大四次會議表決通過的《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》[6]中，均明確規(guī)定了要圍繞“新材料”領(lǐng)域完成轉(zhuǎn)型升級，建設(shè)材料強(qiáng)國，打造“大國筋骨”。綜上所述，金屬材料的戰(zhàn)略地位可見一斑。然而，金屬表面普遍會發(fā)生腐蝕、磨損、疲勞等失效形式，這極大地限制了材料的使用壽命和效果[7-10]。如何提高金屬材料的表面性能，并有效降低其失效風(fēng)險，是推進(jìn)材料強(qiáng)國的關(guān)鍵，同時也是現(xiàn)階段先進(jìn)材料制造領(lǐng)域的“卡脖子”難題。

超聲表面滾壓處理（USRP）作為一種新型、環(huán)保的表面強(qiáng)化技術(shù)，由于在材料表面防護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力而成為研究焦點[11-13]。據(jù)Web of Science核心合集數(shù)據(jù)顯示，近5年來（2017—2021年），有關(guān)超聲滾壓研究的文章數(shù)量多達(dá)325篇，且整體呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，如圖1所示。實際上，USRP是依據(jù)超聲波振動設(shè)計的高效精密無切屑加工技術(shù)，通過將超聲沖擊和靜載滾壓相融合，由換能器將超聲電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)譯，并通過變幅桿放大，最終以高頻機(jī)械振動的形式在沖擊頭上輸出，沖擊載荷擠壓工件表面，使其產(chǎn)生塑性變形[14-15]，如圖2所示。從機(jī)理上分析，受超聲波和機(jī)械滾壓雙重作用，USRP加工后的材料表面將會形成一定程度的塑性流動，使得表面的“峰”與“谷”相抵，進(jìn)而顯著降低表面粗糙度，提高材料的綜合性能[16]。同時，由于USRP加工賦予了材料表面較高的自由能，而使其表層發(fā)生劇烈的塑性形變，形成位錯和孿晶等，并在持續(xù)、均勻的USRP作用下，最終形成納米晶粒，從而達(dá)到改善材料性能的作用[17]。圖3列舉了一些具有代表性的表面處理工藝。相較于深滾[18]（DR）、超聲沖擊[19]（UIT）、機(jī)械研磨[20]（SMAT）等傳統(tǒng)表面強(qiáng)化技術(shù)容易對金屬表面造成變形嚴(yán)重、應(yīng)力集中等問題[21]，USRP技術(shù)能有效地對金屬表面的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，既能獲得理想的塑性變形層和殘余壓應(yīng)力，又可顯著提升材料的表面完整性、抗蝕及耐磨性能等[22-24]。同時，USRP還可以對工件內(nèi)壁進(jìn)行加工，具有方便、快捷、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點[25]。更重要的是，相較于其他表面機(jī)械加工工藝（如車削、噴丸、滾壓等），USRP加工過程中無切屑產(chǎn)生，并且加工效率高，可實現(xiàn)低能耗、低污染、低排放生產(chǎn)，是一種助力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的綠色高效表面工程技術(shù)。

圖1 近5年Web of Science核心合集超聲滾壓文獻(xiàn)統(tǒng)計

現(xiàn)階段，人們對于USRP技術(shù)的研究多集中于裝置設(shè)計、工藝優(yōu)化與微觀組織研究等方面[26-28]，相關(guān)綜述也只是對USRP的工作原理、工藝參數(shù)或USRP加工試樣的力學(xué)性能及其表面完整性等方面進(jìn)行概括[29-30]?；诖耍紫冉榻B了USRP技術(shù)在磨損、疲勞以及腐蝕領(lǐng)域的防護(hù)現(xiàn)狀，并對其防護(hù)機(jī)理進(jìn)行討論。同時歸納了USRP技術(shù)目前存在的短板與不足。在此基礎(chǔ)上，重點綜述了近年來USRP組合工藝的研究進(jìn)展。最后，就USRP技術(shù)及其組合工藝進(jìn)一步研究和發(fā)展方向進(jìn)行了展望，以期為USRP技術(shù)的后續(xù)研究和應(yīng)用提供技術(shù)參考。

圖2 超聲表面滾壓處理加工示意圖[14-15]

圖3 傳統(tǒng)表面處理工藝加工示意圖[18-20]

1 USRP表面防護(hù)

作為一種新興的表面加工技術(shù)，USRP技術(shù)憑借簡單、高效、綠色以及出色的加工性能，在金屬表面防護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的潛力，引發(fā)廣大學(xué)者們的興趣。當(dāng)前，國內(nèi)外研究人員主要從磨損防護(hù)、疲勞防護(hù)及腐蝕防護(hù)這3個方面來對USRP技術(shù)展開研究。

1.1 磨損防護(hù)

航空航天、芯片制造、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域必不可少地會遭受磨損失效的困擾[31-32]。據(jù)統(tǒng)計，全球約80%的設(shè)備是由于磨損而報廢的，并且每年因磨損而引起的經(jīng)濟(jì)損失占一個國家GDP的2%～7%[33]。因此，人們嘗試?yán)肬SRP技術(shù)來提高金屬材料的耐磨性能。

Zhang等[34]利用USRP技術(shù)對25CrNi2MoV鋼表面進(jìn)行強(qiáng)化，并研究了加工前后試樣的摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明，未加工試樣表面的裂紋較多，且呈現(xiàn)出嚴(yán)重的粘著磨損，而USRP加工試樣的磨損表面較為光滑，且裂紋減少，摩擦系數(shù)和磨損體積較未加工試樣分別降低了12.86%和39.48%。這主要歸因于USRP加工提高了材料的顯微硬度和殘余壓應(yīng)力，增強(qiáng)了沖擊接觸力，降低了摩擦系數(shù)和磨損量，最終提高了材料的耐磨性能。同時，Li等[35]研究了USRP技術(shù)對Ti6Al4V合金力學(xué)性能、顯微組織和微動摩擦磨損特性的影響。結(jié)果表明，材料表面顯微硬度的提高、殘余應(yīng)力和顯微組織的改善是其微動磨損和摩擦性能提高的主要原因，且其磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨粒磨損和粘著磨損。此外，Meng等[36]、Lai等[37]也得出類似的結(jié)論。

綜上所述，USRP加工主要通過降低材料表面粗糙度和摩擦系數(shù)，同時賦予材料表面高硬度，減小磨粒壓入材料的深度，使得材料的磨損量降低。同時，殘余壓應(yīng)力的引入還減少了表面裂紋的萌生，進(jìn)一步強(qiáng)化了材料的耐磨性能。

1.2 疲勞防護(hù)

在服役過程中，金屬表面不可避免地會發(fā)生疲勞破壞，從而帶來難以預(yù)估的災(zāi)難[38-39]。據(jù)相關(guān)研究表明，USRP加工不僅可以提高材料的耐磨性能，還能有效改善金屬的抗疲勞性能。

Liu等[40]對Ti6Al4V合金表面進(jìn)行USRP加工，并開展了疲勞試驗。結(jié)果表明，在700 MPa的最大應(yīng)力下，USRP試樣的疲勞壽命比未處理試樣提高了23.5倍。這是由于USRP加工引入的殘余壓應(yīng)力可以延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生，并且可以降低裂紋擴(kuò)展的速率。同時，梯度納米結(jié)構(gòu)和表面加工硬化對抗疲勞性能的提升起到協(xié)同效應(yīng)。此外，加工試樣的相結(jié)構(gòu)變化也對材料疲勞性能的提升起著重要影響。Liu等[41]發(fā)現(xiàn)，除殘余壓應(yīng)力和梯度納米結(jié)構(gòu)層對表面裂紋萌生和擴(kuò)展有抑制作用外，馬氏體相變對疲勞行為也有很大的影響。主要體現(xiàn)在USRP工藝誘導(dǎo)形成的馬氏體相不但提高了材料的強(qiáng)度，而且馬氏體相變在循環(huán)加載過程中還吸收了裂紋擴(kuò)展釋放的應(yīng)變能，提高了材料在高循環(huán)疲勞情況下的使用壽命。該結(jié)論得到了Xu等[42]人的印證。

USRP加工改善材料疲勞性能的機(jī)理可歸結(jié)為殘余壓應(yīng)力、梯度納米結(jié)構(gòu)層和表面加工硬化等綜合作用的結(jié)果。其中，殘余壓應(yīng)力是決定疲勞行為的主要因素，因為殘余壓應(yīng)力對疲勞裂紋的萌生和過早擴(kuò)展有抑制作用，其存在可以有效提高金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展抗力[43]。此外，梯度納米結(jié)構(gòu)和加工硬化也是USRP試樣抗疲勞性能提升的重要原因。

1.3 腐蝕防護(hù)

自然界普遍存在著腐蝕現(xiàn)象，相對于磨損和疲勞性能，USRP技術(shù)對材料腐蝕性能的影響就更為復(fù)雜，現(xiàn)階段學(xué)者們關(guān)于USRP對材料耐蝕機(jī)理的解釋還存在分歧[44]。其中，一部分學(xué)者認(rèn)為USRP技術(shù)可以提高金屬材料的耐蝕性能。Ye等[45]使用HK30C毫克能設(shè)備在AZ31B鎂合金表面進(jìn)行USRP加工，并研究了USRP對材料腐蝕性能的影響。結(jié)果表明，與未處理試樣相比，USRP試樣的腐蝕形貌更為完整，裂紋缺陷更少，且腐蝕速率較基材下降了64.15%。這主要是由于USRP加工為AZ31B鎂合金引入了殘余壓應(yīng)力，抑制了裂紋的產(chǎn)生，并且表面粗糙度的降低使得腐蝕介質(zhì)難以對材料內(nèi)部進(jìn)行侵蝕，最終減緩了AZ31B鎂合金的腐蝕進(jìn)程。Xu等[42,46-47]研究了USRP加工前后試樣在3.5% NaCl中性水溶液中的腐蝕行為，由測試結(jié)果可知，USRP加工使得試樣的平均腐蝕速率降低了60%～70%。這主要歸因于晶粒細(xì)化和表層組織的均勻化，而誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力起到了次要的作用。綜上所述，該部分學(xué)者認(rèn)為USRP加工可以降低材料的表面粗糙度，并且引入了殘余壓應(yīng)力，抑制了腐蝕裂紋的萌生，從而提高了金屬的耐蝕能力。

另一部分學(xué)者認(rèn)為，不同活性的金屬在USRP處理后所表現(xiàn)出的耐蝕性能則可能截然相反。Xia等[48]采用USRP工藝合成了具有梯度納米結(jié)構(gòu)表層的Cu-10Ni合金，并研究了未加工試樣和USRP加工試樣在3.5% NaCl溶液中的腐蝕行為。結(jié)果表明，與未加工試樣相比，USRP加工試樣的耐腐蝕性能顯著提高。這主要歸因于USRP加工促進(jìn)了Cu-10Ni合金表面鈍化膜[CuO、Cu2O和Cu(OH)2]的形成，從而有效地保護(hù)基體免受腐蝕，如圖4所示。Zhang等[49]將由USRP處理的17-4PH不銹鋼試樣和未處理試樣進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)USRP加工試樣的耐腐蝕性能得到明顯提升。這主要是由于：USRP加工顯著提高了材料表面晶界的占比，促進(jìn)了表面鈍化膜的形成，從而增強(qiáng)了耐腐蝕性能；USRP處理后，試樣的表面粗糙度降低，缺陷減少，與腐蝕液的接觸面積減小，腐蝕液在表面停留的時間減少，對提高耐腐蝕性有著積極的作用。該結(jié)論還得到岳亮亮等[50]的印證。綜上所述，該部分學(xué)者認(rèn)為，對于鈍態(tài)金屬（如304、316L不銹鋼等）而言，USRP處理能更容易地在其表面生成致密、均勻的鈍化膜，從而提高材料的腐蝕防護(hù)能力。

然而，在劉莉等[51]的研究中發(fā)現(xiàn)，表面納米化作用會使活性金屬表面腐蝕加劇，耐蝕性能大大降低。為了驗證這一結(jié)論，陶冠羽[52]通過USRP技術(shù)對活性金屬A3碳鋼表面進(jìn)行加工，并將基材與加工后USRP-A3試樣放入120 g/L的NaCl溶液中進(jìn)行浸泡試驗和電化學(xué)測試。結(jié)果表明，USRP加工前后A3碳鋼試樣表面均發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。通過對比圖5a、b發(fā)現(xiàn)，USRP-A3試樣表面的點蝕坑較其基材顯著增加，USRP-A3試樣的平均腐蝕速率（0.417 5 mm/a）是其基材（0.303 8 mm/a）的1.37倍。由其電化學(xué)阻抗譜（見圖5c）可知，USRP-A3的容抗弧半徑減小，耐蝕性能減弱。這主要是因為對于活性金屬（如A3碳鋼等）而言，USRP加工會導(dǎo)致材料表面的活性原子增多，從而使得金屬的溶解速率加快，最終耐蝕性能大大降低。

圖4 USRP加工后Cu-10Ni合金腐蝕反應(yīng)機(jī)理與鈍化膜組成[48]

圖5 USRP處理前后A3碳鋼在120g/L NaCl溶液中的腐蝕形貌及交流阻抗譜[52]

綜上所述，USRP對金屬材料腐蝕性能的影響既與USRP加工效果（表面完整性、殘余壓應(yīng)力等）有關(guān)，還可能與金屬自身活性（鈍化性能）存在關(guān)聯(lián)，綜合作用因素較多，作用機(jī)理尚不明確，需要研究人員進(jìn)一步對USRP技術(shù)的耐蝕機(jī)理進(jìn)行探討。

2 組合USRP工藝

2.1 USRP技術(shù)存在的問題

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，對材料或零部件的表面性能提出了更高要求，單一的USRP技術(shù)在一定程度上已經(jīng)不能滿足設(shè)備對零部件的高性能要求。當(dāng)材料表面強(qiáng)化層的塑性變形程度達(dá)到一定的極限時，不僅很難進(jìn)一步提高其性能，繼續(xù)加工更會導(dǎo)致起皺、開裂等表面缺陷的產(chǎn)生，進(jìn)而影響材料的使用性能。此外，USRP強(qiáng)化效果往往還受制于加工材料本體。例如，由于高強(qiáng)合金本身硬度較大，難以通過USRP加工在其表面形成較深的強(qiáng)化層，從而無法達(dá)到預(yù)期效果。因此，在現(xiàn)有USRP技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過結(jié)合其他表面強(qiáng)化工藝，形成了組合USRP表面強(qiáng)化處理技術(shù)，以解決單一技術(shù)存在的局限性與技術(shù)壁壘。表1列舉了單一USRP技術(shù)和組合USRP技術(shù)的優(yōu)缺點。此外，根據(jù)組合工藝中USRP技術(shù)的時間順序，可將USRP技術(shù)應(yīng)用于組合工藝的前端、后端以及同步處理，如圖6所示。

表1 單一USRP技術(shù)與組合USRP技術(shù)對比

Tab.1 Comparison between USRP technology and combined USRP technology

圖6 組合超聲滾壓工藝分類

2.2 前端組合

目前，比較常見的組合USRP工藝是將USRP技術(shù)應(yīng)用于前端組合，即通過USRP技術(shù)對材料表面進(jìn)行預(yù)處理加工，以期提升后續(xù)工藝的加工效率和加工性能。

2.2.1 超聲滾壓–等離子滲技術(shù)

Liu等[53]將USRP加工與等離子滲氮技術(shù)相結(jié)合，在690TT合金表面制備出耐磨性能優(yōu)異的滲層，與單一等離子滲氮試樣相比，組合加工試樣的硬度提高了348%，磨損率下降了96%，有效地改善了690TT合金表面微動磨損性能。這是因為：一方面，USRP預(yù)處理后，金屬表面的晶粒擁有較高的活性，從而加快了表面化學(xué)反應(yīng)，并且晶粒之間高體積分?jǐn)?shù)的界面又為原子擴(kuò)散提供了理想的通道[46]，利于元素擴(kuò)散，實現(xiàn)“催滲”的目的，提高了化學(xué)熱處理的反應(yīng)速率，并且增加了基體和滲層的結(jié)合力；另一方面，USRP加工減緩了等離子滲導(dǎo)致的熱疲勞裂紋的形成和長大，從而增強(qiáng)了金屬材料的表面性能。另外，She等[54]利用USRP預(yù)處理金屬鈦后，又在850 ℃下對其進(jìn)行了等離子滲氮改性。研究發(fā)現(xiàn)，氮化層的硬度和厚度得到提升，有效地增加了等離子滲氮后樣品的耐磨性。其中，滲層厚度增加主要得益于USRP預(yù)處理增加了材料表面活性能的非平衡缺陷，激發(fā)形成了大量晶界，使得原子活動的路徑大幅增多，從而加快了等離子滲氮的進(jìn)程。此外，USRP預(yù)處理還能使其鈦層表面晶粒細(xì)化、裂紋減少，進(jìn)而發(fā)揮顯著提高材料耐磨性能的作用。此外，Zhao等[55]研究了梯度納米結(jié)構(gòu)對42MnCr52鋼等離子硫氮碳共滲改性層組織及性能的影響。結(jié)果表明，相比于單一的等離子硫氮碳試樣，經(jīng)USRP預(yù)處理后的試樣，表面更加致密平整，滲層厚度平均提高了約30%，并且組合加工試樣的耐磨性能明顯提高。這與USRP預(yù)處理增加了等離子硫氮碳共滲的擴(kuò)散深度以及改善了滲層的均勻性密切相關(guān)。

基材的表面狀態(tài)極大地影響超聲滾壓–等離子滲技術(shù)的效果，因此在等離子滲之前，首先需要保證材料表面盡可能地光滑平整，降低表面狀態(tài)對涂層性能的影響。其次，需要根據(jù)實際材質(zhì)和服役需求，選擇合適的工藝參數(shù)，發(fā)揮出USRP改善材料表面質(zhì)量的優(yōu)勢。最后，根據(jù)設(shè)計要求，適配熱處理技術(shù)，發(fā)揮組合USRP工藝“1+1>2”的技術(shù)潛力。

2.2.2 超聲滾壓–微弧氧化（MAO）技術(shù)

微弧氧化（MAO）技術(shù)憑借加工高效、工藝簡單以及綠色環(huán)保等優(yōu)點成為最具潛力的一種表面處理工藝。在MAO處理之前，一般可以通過噴丸加工對基材進(jìn)行預(yù)處理。然而，一方面，噴丸處理容易對材料表面完整性造成一定的下降，導(dǎo)致在后期MAO處理時所制得膜層不夠均勻致密；另一方面，膜表層的高孔隙率和相對較大的表面積也限制了MAO技術(shù)的發(fā)展。故而，亟需開發(fā)一種高效環(huán)保的微弧氧化膜強(qiáng)化技術(shù)。

魏征等[56]首先在AZ31B金屬表面利用USRP技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，然后再使用MAO技術(shù)對表面進(jìn)行鍍膜，最終得到表面平整光滑、孔隙率低的MAO膜層。此外，魏征還對比了經(jīng)USRP預(yù)處理后的微弧氧化試樣（USRP+MAO）與直接微弧氧化鍍膜試樣（MAO）二者在標(biāo)準(zhǔn)磷酸鹽緩沖液（SPB模擬體液）中的腐蝕性能，結(jié)果見表2。由表2可知，經(jīng)USRP預(yù)處理的MAO試樣，不管是腐蝕電位，還是腐蝕電流密度，測試結(jié)果都遠(yuǎn)優(yōu)于純MAO試樣，這說明在SPB介質(zhì)中USRP+MAO試樣擁有更好的抗腐蝕性能。由交流阻抗模擬的等效電路所得數(shù)據(jù)可知，USRP+MAO試樣的阻抗明顯大于純MAO試樣，進(jìn)一步說明USRP+ MAO試樣較純MAO試樣更具有耐蝕防護(hù)的能力。這主要是由于USRP預(yù)處理可以大幅降低金屬表層的晶粒尺寸，從而使MAO膜層的成核點增多，最終使得MAO膜層變得更加致密，其孔隙率由31.7%降低至19.1%（如圖7所示），腐蝕溶液中的侵蝕性離子難以穿過USRP+MAO膜層，進(jìn)而提高了鎂合金試樣的耐蝕性能。

2.2.3 超聲滾壓–物理氣相沉積（PVD）技術(shù)

在前端組合工藝中，人們還利用USRP技術(shù)在金屬表面構(gòu)筑織構(gòu)，然后再通過PVD技術(shù)在USRP預(yù)處理后的金屬表面進(jìn)行沉積鍍膜，從而獲得了結(jié)合度高、性能優(yōu)異的涂層。

山東大學(xué)的Meng等[57]在AISI1045鋼表面利用USRP技術(shù)進(jìn)行了微觀組織構(gòu)筑，制備出不同間距的線狀微織構(gòu)，并組合PVD技術(shù)獲得了與基體結(jié)合良好的AlTiN涂層（如圖8所示），有效解決了單一處理后AlTiN涂層與基體結(jié)合不牢固的問題，并顯著提升了涂層材料的耐磨性能。其中，超聲滾壓形成的織構(gòu)為AlTiN涂層提供了較大的界面接觸面積，縮小了涂層表面能之間的相互作用差異，加強(qiáng)了涂層與基體間的結(jié)合力，并且預(yù)置了理想的表面殘余壓應(yīng)力和形成了梯度納米層。綜合以上因素，最終提高了AlTiN涂層（硬涂層）/AISI1045鋼（軟基材）體系的結(jié)合強(qiáng)度和抗粘著磨損性能。

表2 超聲滾壓預(yù)處理前后MAO鎂合金試樣的耐蝕性能[56]

Tab.2 Corrosion resistance of MAO magnesium alloy samples before and after ultrasonic rolling pretreatment[56]

圖7 USRP/MAO與MAO膜層表面SEM形貌、孔隙率分析[56]

圖8 超聲滾壓–物理氣相沉積組合工藝[57]

2.3 后端組合

在零部件的加工制造過程中，某些加工技術(shù)不可避免地會對工件表面質(zhì)量造成一定程度的影響。此時，人們利用USRP加工可以大幅改善材料表面完整性的技術(shù)優(yōu)勢，將其作為組合工藝的后端工序，以此增強(qiáng)零部件的整體性能。

Li等[58]首先采用粉末冶金熱等靜壓（HIP）工藝制備了Ti6Al4V合金棒材，隨后在真空爐中對其進(jìn)行熱處理，最后使用USRP技術(shù)對其表面進(jìn)行強(qiáng)化，并開展了拉伸性能和疲勞性能的研究，結(jié)果見表3。由表3可知，在拉伸性能方面，拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了3.6%和3%，面積減少率和伸長率分別降低了30.9%和13.1%。疲勞性能方面，材料在高周疲勞測試中，疲勞強(qiáng)度從530 MPa提高到570 MPa。這主要得益于熱處理和USRP技術(shù)的有效結(jié)合減少了材料初始裂紋點的數(shù)量，延長了高周期應(yīng)力下的疲勞壽命。魯金忠等[59]將激光沖擊強(qiáng)化與USRP技術(shù)相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)該組合工藝可以使材料近表層的晶粒進(jìn)一步細(xì)化，同時還能改善材料表面因激光沖擊強(qiáng)化帶來的粗糙度變差的影響，并減少了表層峰谷處的應(yīng)力集中，最終提升了鎂合金的力學(xué)性能。Wang等[60]以Ti6Al4V合金為研究對象，通過優(yōu)化成形工藝，獲得了具有最佳性能的激光選區(qū)熔化（SLM）成形鈦合金，隨后采用USRP技術(shù)作為后處理工藝對材料表面作進(jìn)一步加工處理。結(jié)果表明，與單一的SLM處理比較，SLM-USRP組合工藝處理可以有效地降低材料的表面粗糙度，提高表面殘余壓應(yīng)力，且表層出現(xiàn)較強(qiáng)的加工硬化，耐磨性能也顯著提升。此外，F(xiàn)u等[61]通過磨料水射流噴丸（AWJP）組合USRP技術(shù)，探究了AWJP-USRP加工對40CrNiMo鋼表面完整性和抗壓疲勞性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，采用組合表面改性工藝可在材料表層得到性能良好的梯度結(jié)構(gòu)，且由于表面粗糙度降低，硬度提高，加之組織梯度和殘余應(yīng)力梯度的形成使得材料的疲勞性能顯著提高。另外，Ye等[62]使用激光熔覆技術(shù)將Cr-Ni合金粉末熔覆在1045鋼表面，然后采用USRP技術(shù)作為后處理工藝，改善其表面狀態(tài)。結(jié)果表明，激光熔覆–USRP組合工藝可以有效解決單一激光熔覆技術(shù)處理材料的表面質(zhì)量差等問題，提高了材料的力學(xué)性能。這主要得益于將USRP技術(shù)引入激光熔覆工藝中，可以顯著降低材料表面的粗糙度，并在其表層形成極小的晶粒，從而增強(qiáng)了材料的表面顯微硬度，改善了表面抗裂性能，作用機(jī)理如圖9所示。

綜上所述，USRP加工作為組合工藝后端處理的原因如下：改善組合工藝前工序?qū)Σ牧媳砻嬖斐傻馁|(zhì)量問題，如表面粗糙度增大、應(yīng)力集中等；提高材料的顯微硬度，生成梯度納米結(jié)構(gòu)，并引入殘余壓應(yīng)力，使材料的性能得到提升。

表3 超聲滾壓處理前后樣品的拉伸性能與疲勞性能[58]

Tab.3 Tensile and fatigue properties of samples before and after ultrasonic rolling[58]

圖9 激光熔覆-超聲滾壓組合工藝作用機(jī)理[62]

2.4 同步復(fù)合

在USRP組合工藝的發(fā)展進(jìn)程中，除了將USRP技術(shù)作為前、后端處理之外，研究人員還陸續(xù)研究出同步復(fù)合工藝。即將USRP技術(shù)與電脈沖、溫度場等同步復(fù)合，對材料表面進(jìn)行強(qiáng)化，從而達(dá)到協(xié)同效應(yīng)，提高材料的表面性能。

2.4.1 電脈沖輔助超聲滾壓同步處理技術(shù)

由Wang等[63]發(fā)明的電脈沖輔助超聲滾壓（EP-USRP）加工方法是一種新的材料表面強(qiáng)化技術(shù)，主要通過在USRP加工過程中應(yīng)用電脈沖來降低材料的抗變形能力，提高材料的延展性和表面質(zhì)量，其工藝原理如圖10所示。脈沖電流作為一個瞬間的高能輸入，能夠改善金屬材料的塑形變形、再結(jié)晶、相轉(zhuǎn)變等，降低材料的加工硬化效果和減少內(nèi)部的缺陷，從而實現(xiàn)在材料加工過程中優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)、降低變形阻抗、改善零件的變形極限和表面質(zhì)量等目的。EP-USRP能夠突破USRP有限的沖擊深度和不穩(wěn)定的局部疲勞損壞等限制，發(fā)揮復(fù)合加工的技術(shù)優(yōu)勢。

圖10 電脈沖輔助USRP工藝原理[63]

許金寶等[64]使用EP-USRP技術(shù)處理6061鋁合金。結(jié)果表明，EP-USRP處理樣品的表面質(zhì)量明顯優(yōu)于USRP處理試樣，且加工層的厚度同步增加，晶粒尺寸進(jìn)一步減小，摩擦學(xué)性能顯著提升。這主要得益于在EP-USRP加工過程中，產(chǎn)生的漂移電子可以促進(jìn)同向位錯運動，加快塑性變形的速度，生成更厚的變形層。此外，由于涂層與基體之間的組織更加致密，表現(xiàn)出更好的結(jié)合力，使得EP-USRP試樣的摩擦學(xué)性能大幅增加。Sun等人[65]通過EP-USRP工藝處理鎳鋁青銅（NAB），與未經(jīng)處理和經(jīng)USRP處理試樣相比，EP-USRP試樣的表面粗糙度大大降低，并且在NAB表面上形成了超1 000 μm厚的硬度梯度層，大幅提高了試樣的表面強(qiáng)度。同時，電脈沖增強(qiáng)了金屬的塑性流變，促進(jìn)了位錯的擴(kuò)散和移動，因此可通過不同的電脈沖強(qiáng)度獲得相應(yīng)的表面質(zhì)量和力學(xué)性能。最后，與未處理試樣和USRP試樣相比，EP-USRP增強(qiáng)了NBA試樣表面的抗空蝕能力，這主要歸功于EP-USRP可以改善材料的表面質(zhì)量，減弱空泡坍塌，表面預(yù)置的壓應(yīng)力和加工硬化能很好地抵抗空泡的沖擊，且表層結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)改變了裂紋擴(kuò)展的方向，提高了材料的電化學(xué)腐蝕性能，從而大大提高了處理后NAB表面的抗空蝕能力。

2.4.2 加熱輔助超聲滾壓同步處理技術(shù)

表面加熱輔助超聲滾壓同步處理是在單一USRP技術(shù)的基礎(chǔ)上，將溫度場引入到材料的表面超聲強(qiáng)化過程中，利用加熱溫度對材料力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響，從而獲得性能更好的材料表面改性層。其原理主要是由于加熱能夠使材料的力學(xué)性能發(fā)生顯著的降低，增加材料的滑移體系和機(jī)制，從而減少了材料產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形所需的變形能。在相同的沖擊作用下，相對于常溫的表面超聲滾壓，將使材料產(chǎn)生更大的塑性變形。故而，表面加熱輔助超聲復(fù)合滾壓處理的材料將會獲得更好的表面改性層，其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性將會有進(jìn)一步的提升。其次，由于致密的位錯密度和纏結(jié)，形成了更高的顯微硬度和更深的硬化深度，以及更厚的表面改性層，使得材料的拉伸性能和抗疲勞性能也隨之增強(qiáng)。

Li等[66]采用表面加熱輔助USRP工藝對熱等靜壓（HIP）Ti6Al4V材料表面進(jìn)行了處理，研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合加工后，材料具有更加優(yōu)越的性能，主要體現(xiàn)在復(fù)合加工試樣擁有更好的晶粒細(xì)化和應(yīng)變強(qiáng)化效果，表面改性層的顯微硬度明顯提升。當(dāng)在140 ℃時進(jìn)行加熱輔助，Ti6Al4V金屬的耐磨性能最優(yōu)。該結(jié)論得到蔣書祥等[67]的印證。此外，鞏賢宏等[68]利用鹵素?zé)魧Σ牧媳砻孢M(jìn)行升溫，并通過紅外熱像儀對表面溫度進(jìn)行監(jiān)控，如圖11所示。當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時，利用自制的超聲滾壓裝置對Inconel 718高強(qiáng)合金進(jìn)行加工，并保持溫度至加工結(jié)束后30 min。結(jié)果表明，相對于單一USRP材料，加熱輔助超聲滾壓后，材料的抗磨減摩性能增幅明顯，這主要是歸功于加熱輔助超聲滾壓試樣擁有更大的硬度和屈服強(qiáng)度。

圖11 加熱輔助超聲滾壓復(fù)合加工裝置[67]

綜上所述，與單一表面處理技術(shù)相比，USRP組合表面強(qiáng)化工藝展現(xiàn)出優(yōu)異的協(xié)同效應(yīng)，使得表面性能得到顯著改善，突破單一處理的技術(shù)瓶頸，并發(fā)揮出多學(xué)科融合的優(yōu)勢，推進(jìn)了表面工程技術(shù)的發(fā)展。但是，目前組合USRP表面強(qiáng)化工藝還處于發(fā)展階段，各方面的工藝水平還有待提升，組合工藝之間的匹配度仍需改進(jìn)，材料加工性能的機(jī)理研究需要進(jìn)一步探討。

3 結(jié)語

在合適的工藝條件下，超聲滾壓技術(shù)可有效改善金屬材料的表面質(zhì)量，學(xué)者們已經(jīng)對磨損、疲勞、腐蝕等典型失效的防護(hù)開展了研究，并取得了一定成果。其次，組合USRP工藝為改善工程材料及其裝備的服役性能提供了良好的技術(shù)途徑，展示出良好的應(yīng)用前景，因而應(yīng)大力開展相關(guān)組合工藝的研究，實現(xiàn)對落后、低效、污染嚴(yán)重的工藝進(jìn)行升級改造，為實現(xiàn)工業(yè)制造“雙碳”目標(biāo)而努力。關(guān)于USRP技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，還需注意以下問題：

1）目前有關(guān)USRP能量轉(zhuǎn)化理論還不清晰。USRP由機(jī)械能和超聲波能轉(zhuǎn)化為材料形變所需的能量之間的關(guān)系還不明確，相關(guān)的理論支撐處于空白狀態(tài)，這也是限制USRP工藝開發(fā)和性能提升的主要因素之一。

2）USRP在加工細(xì)長孔工件時受到限制。受限于USRP加工頭的尺寸，USRP在加工細(xì)長孔工件內(nèi)壁時，目前還無法完成小于USRP加工頭尺寸的細(xì)長孔零部件的加工。

3）USRP加工不同金屬材料的數(shù)據(jù)庫處于空白狀態(tài)。根據(jù)不同的材料性能要求，需要靈活、便捷地將USRP技術(shù)與相關(guān)工藝進(jìn)行適配，從而提升USRP組合工藝的加工效率與加工質(zhì)量。

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State of the Art of Ultrasonic Surface Rolling Technology and Its Combination Technology

,,,

(Wuhan Research Institute of Materials Protection Co., Ltd., Wuhan 430030, China)

Metal materials, known as "industrial skeleton", are widely used in communication, electronics, transportation, medical, and other fields because of their good physical, chemical, and mechanical properties. However, corrosion, abrasion, fatigue, and other failure modes generally occur on the metal surface, which greatly limits the service life and effect of the material. As a new and environment-friendly surface strengthening technology, the ultrasonic surface rolling process (USRP) has become a research focus because of its great application potential in the field of material surface protection. The work aims to introduce the protection status of USRP in the field of wear, fatigue, and corrosion in China and internationally, and discuss the mechanism of USRP on the surface protection of metal materials.

However, with the development of modern science and technology, higher requirements are put forward for the surface properties of materials or parts. To a certain extent, the single USRP can not meet the high-performance requirements of equipment for parts. The existing problems of USRP technology are summarized. For example, when the plastic deformation degree of the surface strengthening layer reaches a certain limit, it is not only difficult to further improve the performance but also easy to lead to surface defects such as wrinkling and cracking, which will affect the service performance of the material. In addition, the strengthening effect of USRP is often subject to the processing material. For example, due to the high hardness of high-strength alloy, it is difficult to form a deep strengthening layer on the surface through USRP processing, so the expected effect can not be achieved. Therefore, based on the existing USRP, the combined USRP surface strengthening treatment technology is formed by combining other surface strengthening processes to solve the limitations and technical barriers of a single technology.

According to the time sequence of the combined process, USRP was applied to the front end, back end and synchronous processing of the combined process. The front-end combination was to pretreat the material surface through USRP to improve the processing efficiency and processing performance of subsequent processes, mainly including USRP combined Plasma Infiltration technology, USRP combined Micro-arc Oxidation technology, USRP combined Physical Vapor Deposition technology, etc. In addition, in the process of part processing and manufacturing, some processing technologies inevitably affected the surface quality of the workpiece to a certain extent. At this time, the technical advantage that USRP could greatly improve the surface integrity of materials was used as the back-end process of combined process, to enhance the overall performance of parts. The back-end combination process mainly includes Heat Treatment combined USRP technology, Laser Shock combined USRP technology, Laser Cladding combined USRP technology, Laser Selective Melting combined USRP technology, etc. In the development process of the USRP combined process, researchers have also successively developed synchronous composite process. USRP technology is combined with electric pulse and temperature field to strengthen the material surface, to improve the material surface properties.

Under appropriate process conditions, USRP can effectively improve the surface quality of metal materials. Scholars have researched the protection against typical failures such as wear, fatigue, and corrosion, and achieved some results. However, the theory of USRP energy conversion is not clear. The relationship between the transformation of USRP from mechanical energy and ultrasonic energy into the energy required for material deformation is not clear, and the relevant theoretical support is blank, which is also one of the main factors limiting the development and performance improvement of the USRP process. Secondly, the combined USRP process provides a good technical way for improving the service performance of engineering materials and equipment and shows a good application prospect. However, the matching degree between the combined processes still needs to be improved, and the mechanism of material processability needs to be further discussed.

metal protection; ultrasonic rolling; surface combination process; carbon neutralization

TG176

A

1001-3660(2023)02-0122-13

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.011

2021–11–19；

2022–03–29

2021-11-19；

2022-03-29

國家自然科學(xué)基金（51975421）

The National Natural Science Foundation of China (51975421)

陶冠羽（1994—），男，碩士，工程師，主要研究方向為表面工程。

TAO Guan-yu (1994-), Male, Master, Engineer, Research focus: surface engineering.

段海濤（1981—），男，博士，研究員，主要研究方向為表面工程。

DUAN Hai-tao (1981-), Male, Doctor, Researcher, Research focus: surface engineering.

陶冠羽, 駱小雙, 孫清云, 等. 超聲表面滾壓技術(shù)及其組合工藝現(xiàn)狀[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(2): 122-134.

TAO Guan-yu, LUO Xiao-shuang, SUN Qin-yun, et al. State of the Art of Ultrasonic Surface Rolling Technology and Its Combination Technology[J]. Surface Technology, 2023, 52(2): 122-134.

責(zé)任編輯：劉世忠