金屬材料超聲表面強化技術(shù)的研究與應(yīng)用進展

徐 莉

（酒鋼集團榆中鋼鐵有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730104）

1 超聲沖擊處理技術(shù)

眾所周知，超聲處理技術(shù)是我國目前應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)，大功率的超聲是這一技術(shù)中最關(guān)鍵的驅(qū)動能量。超聲處理技術(shù)能夠有效進行電能與機械能之間的轉(zhuǎn)化。磁致伸縮轉(zhuǎn)換能器和壓電陶瓷是超聲沖擊處理技術(shù)能夠順利工作的關(guān)鍵因素，機械能會轉(zhuǎn)化為變幅聚能，然后對焊件的表面造成沖擊，使材料表面形成塑性形變，從而極大降低焊接操作過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，還能夠有效提高抗疲勞性[1]。超聲沖擊處理技術(shù)又稱為超聲表面強化技術(shù)。超聲沖擊處理技術(shù)是由20世紀(jì)70年代前蘇聯(lián)的科學(xué)家發(fā)明的，1990年法國開始對超聲沖擊技術(shù)進行研究，美國于1995年開始了在橋梁結(jié)構(gòu)上應(yīng)用超聲沖擊處理進行研究，我國也是從20世紀(jì)90年代開始探索和研究沖擊處理技術(shù)，沖擊處理與焊接接頭疲勞強度之間的關(guān)系是我國的主要研究領(lǐng)域。

經(jīng)過我國相關(guān)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，工件的接頭如果經(jīng)過超聲沖擊后，那么其抗疲勞性就會大幅度提高[2]。而且，這一研究成果目前已經(jīng)在焊接行業(yè)當(dāng)中廣泛應(yīng)用。用超聲沖擊技術(shù)對焊接接頭進行處理后，不僅能夠提高焊接接頭的抗疲勞性，還能夠在很大程度上降低焊接以后工件上殘留的應(yīng)力。降低殘留應(yīng)力還能夠提高接頭的應(yīng)力腐蝕性。除此之外，在加工工件過程中，容易出現(xiàn)受應(yīng)力影響所產(chǎn)生的疲勞裂紋，這些疲勞裂紋也能夠用超聲沖擊技術(shù)來去除。用超聲沖擊技術(shù)處理過的工件穩(wěn)定性和質(zhì)量都較好。但是我國并不是第一個使用超聲沖擊技術(shù)的，在烏克蘭和俄羅斯等國中很早就開始使用這一技術(shù)[3]。在近些年來，我國逐漸提高對超聲沖擊處理技術(shù)重視程度，這一技術(shù)在我國的應(yīng)用也逐漸增加，而且還能夠起到改良工業(yè)品的合金力學(xué)性能的作用。經(jīng)過研究表明，超聲沖擊處理可以將超高強鋼焊接接頭晶粒細化達到50μm深，其表層晶粒尺寸為63nm～82nm。而且經(jīng)過超聲沖擊處理后J507堆焊層形成晶粒尺寸為21nm的表面納米化層，是之前硬度的1.4倍。這一技術(shù)在我國工業(yè)行業(yè)當(dāng)中的廣泛應(yīng)用，不僅能夠提高我國科技水平，還能能夠加強我國科技技術(shù)，從而有效提高我國的經(jīng)濟發(fā)展，使我國在科技方面進一步發(fā)展和進步。

圖1 超聲處理技術(shù)

2 超聲噴丸強化技術(shù)

超聲噴丸強化技術(shù)和超聲表面處理技術(shù)存在一定的差異，超聲噴丸強化技術(shù)不僅功率較高，而且可以作為驅(qū)動金屬工件的能量。超聲噴丸技術(shù)運用超聲振動作為USP的推動了，這樣與傳統(tǒng)的用氣推動技術(shù)相比，減少了一個提前壓縮空間的步驟，也在很大程度上提高了安全系數(shù)，使能量可以進行循環(huán)利用，減少能量消耗。這一技術(shù)更容易控制，從而使工藝也具有較強的可控性，可以對某些特定的工業(yè)品進行定制[4]。例如，這一技術(shù)可以根據(jù)相應(yīng)的要求，對工件的深度和直徑等參數(shù)進行提前設(shè)定，然后在運用USP技術(shù)進行特別定制，具有較強的實用性，而且較為便捷。

想要運用USP技術(shù)對工藝進行控制，就需要對機器的振幅參數(shù)以及超聲波的頻率進行設(shè)置。但是，如果工業(yè)品的尺寸過大，那么即使應(yīng)用USP技術(shù)，也會存在殘余應(yīng)力，但是這一技術(shù)最大的有點就是可以使工業(yè)品的表面變得更加平整、更加光滑。因此，這一技術(shù)不論是在國內(nèi)還是在國外都被廣泛應(yīng)用，而且大部分都是將這一技術(shù)直接應(yīng)用于工業(yè)品的表面或者零件的表面。

圖2 超聲噴丸強化技術(shù)

我國相關(guān)科學(xué)家也在這一技術(shù)方面加強了理論和實踐的研究，當(dāng)前最熱門的領(lǐng)域是應(yīng)用納米技術(shù)對材料表明進行處理，而且這一技術(shù)目前在我國已經(jīng)獲得了一定的研究成果和應(yīng)用效果，我國也對這一技術(shù)的前景進行一系列的研究和展望。因為USP技術(shù)自身具有較多的優(yōu)勢和特點，因此將這一技術(shù)引進國內(nèi)以來，在我國有著較好的發(fā)展現(xiàn)狀。但是，USP技術(shù)也具有一定的局限性，這一技術(shù)在一定程度上限制了零件的尺寸，如果零件的大小不在范圍內(nèi)，那么就會嚴(yán)重影響到處理效果。雖然納米化技術(shù)能夠提高材料表面的抗疲勞性，但是這一技術(shù)在應(yīng)用過程中會受到很多外界因素的限制和影響。

3 超聲振動擠壓

機器的工具頭通過壓力和高頻沖擊力等，對材料表面產(chǎn)生碰撞力，這就是超聲振動擠壓。經(jīng)過超聲振動擠壓處理過后使材料表面變得更加平滑，使金屬表面產(chǎn)生塑性形變，提高工件表面的耐久性，也在一定程度上提高工件表明的抗疲勞性。

有相關(guān)科學(xué)家曾經(jīng)提出過無磨粒的超聲拋光技術(shù)和超聲波輔助拋光技術(shù)，他們的操作機理和超聲擠壓技術(shù)有著一定的相似之處，所以超聲擠壓技術(shù)能夠使工件均勻受力，還能夠提高工件的穩(wěn)定性，這一技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提高零件的質(zhì)量和使用效果。所以這一技術(shù)被我國軍事行業(yè)和一些精細制造行業(yè)廣泛應(yīng)用，用來加工一些精細度和難度較高的零件。

但是一些其他因素也會影響到超聲振動擠壓技術(shù)的應(yīng)用效果，例如，設(shè)置擠壓次數(shù)、擠壓速度和受擠壓的力是否合適，機器的振動頻率、機器的振幅以及工具頭的球面平滑度等參數(shù)也會使使用效果產(chǎn)生差異。

我國相關(guān)學(xué)者曾針對影響超聲波擠壓技術(shù)加工效果的因素進行分析和研究，運用控制變量的方法，最終尋找到影響加工效果因素。近些年來，我國在超聲波擠壓技術(shù)的研究和應(yīng)用上已經(jīng)有了顯著成效，而且這一技術(shù)在我國的發(fā)展也較為迅速，但是仍然存在著較大的發(fā)展空間。我國相關(guān)科學(xué)家針對超聲振動技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用進行研究，還發(fā)現(xiàn)了諸多的規(guī)律。

4 超聲滾強化與滾光技術(shù)

傳統(tǒng)的滾壓技術(shù)是運用工具頭上的凈壓力使材料表面產(chǎn)生塑性形變，形成殘余壓應(yīng)力，以提高零件的抗疲勞性。滾壓加工已經(jīng)在我國工業(yè)行業(yè)當(dāng)中獲得廣泛應(yīng)用，而且我國科學(xué)家針對這一技術(shù)也開展了大量的研究工作。但是在滾壓強化處理過程中，如果施加過大的靜壓力在工具頭上就會對零件表面造成撕裂和劃傷，而且會形成殘余切應(yīng)力，也對薄壁零件的處理產(chǎn)生阻礙。

超聲滾強化技術(shù)和滾光技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)存在較大的差異，傳統(tǒng)技術(shù)主要運用工具頭對材料的壓力和作用力，使材料發(fā)生塑性形變，使材料的表面變得更加平滑，提高零件的耐疲勞性和零件的使用效果。

這種滾壓的加工技術(shù)在工業(yè)品加工領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用較為廣泛，而且我國在這一技術(shù)上做出了諸多的研究。經(jīng)過研究表明，UDR處理降低了電弧噴涂3Cr13涂層表面的粗糙度，使其硬度提高了45%，也大大降低了孔隙率，使涂層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。但是，在滾壓強化過程中，工具頭上的靜壓機參數(shù)設(shè)置出現(xiàn)問題，那么就會使零件表面被劃傷，還會在很大程度上損傷零件，降低材料的質(zhì)量和使用性能。

5 研究結(jié)論

本文針對近些年來的金屬材料超聲表面強化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展進行了一定的總結(jié)、和回顧，并且根據(jù)這些內(nèi)容提出了進一步的發(fā)展方向和研究方向，具體方向為以下幾點：

（1）針對金屬材料的超聲表面處理自身納米化機制進行深入的分析和研究，還要進行納米化組織和相變動力學(xué)的高溫穩(wěn)定性等機理進行進一步研究。

（2）針對金屬材料超聲表面處理對抗應(yīng)力腐蝕、材料抗腐蝕以及化學(xué)熱處理工藝等性能影響進行深入研究和分析。

（3）針對超聲表面強化技術(shù)對材料微動疲勞、腐蝕疲勞和接觸疲勞性能影響進行深入分析和研究。

（4）針對金屬材料超聲表面處理中應(yīng)力波的超聲誘導(dǎo)塑性和對位錯運動及其傳播進行深入分析和探索。

（5）針對超聲表面強化技術(shù)在材料制備和材料表面領(lǐng)域進行深入分析和研究。

6 結(jié)語

總體而言，在工業(yè)產(chǎn)品當(dāng)中，工業(yè)零件與人的細胞一樣，零件的質(zhì)量和產(chǎn)生的質(zhì)量有著密不可分的聯(lián)系。當(dāng)前，工業(yè)產(chǎn)品在不斷的應(yīng)用，所以工業(yè)零件也就在不斷的消耗和磨損。經(jīng)過消耗和磨損的零件不僅會在很大程度上降低工業(yè)機器的使用效果和使用壽命，還會增加機器的能量消耗。使用超聲波表面處理技術(shù)能夠在極大程度上提高零件的使用壽命，降低零件的損耗。所以，我國應(yīng)該提高對這方面技術(shù)的重視和研究，使其在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)更廣泛的應(yīng)用。