Ti-6Al-4V合金表面超聲振動(dòng)滾壓強(qiáng)化研究

席 剛，劉元銘，張躍飛，劉燕萍

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原 030024；2.北京工業(yè)大學(xué) 固體微結(jié)構(gòu)與性能研究所，北京100124)

Ti-6Al-4V合金是一種α+β兩相鈦合金，具有密度小、高比強(qiáng)、耐高溫、極耐腐蝕、形狀記憶功能及出色的生物相容性等特點(diǎn)，使其在航空航天、造船、化工及醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。但Ti-6Al-4V合金的耐磨性差、耐高溫氧化性差、加工硬化率低，且表面容易萌生疲勞裂紋等缺陷，阻礙了其在高端制造領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，這些缺陷經(jīng)常導(dǎo)致鈦合金零部件的過早失效，降低安全性，增加使用成本。因此，通過表面處理技術(shù)提升Ti-6Al-4V合金表面質(zhì)量是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[3]。

目前采用普通滾壓、熱滲鍍、噴丸、氣相沉積等傳統(tǒng)表面強(qiáng)化技術(shù)可以提高鈦合金零件表面質(zhì)量，延長零件的使用壽命[4-5]，但超聲振動(dòng)滾壓加工技術(shù)相比于上述的表面處理工藝，能夠更加有效及全面的提升金屬材料表面質(zhì)量，且其加工效率也遠(yuǎn)高于上述工藝[6-7]。超聲振動(dòng)滾壓技術(shù)通過將超聲波敲擊能量與靜態(tài)滾壓相結(jié)合對材料表面進(jìn)行強(qiáng)化,可使金屬材料表面產(chǎn)生塑性變形，大大降低金屬零部件的粗糙度，提高硬度，并優(yōu)化其表面殘余應(yīng)力分布[8-9]。

超聲振動(dòng)滾壓加工技術(shù)在金屬材料表面工程領(lǐng)域占有重要地位。王婷等[12]對經(jīng)超聲表面滾壓處理后的40Cr材料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)加工后的材料表層晶粒細(xì)化至納米級，同時(shí)在材料表層形成一定深度的塑性流變組織，材料的表面粗糙度Ra達(dá)到0.05 μm，顯微硬度提高約63%，在材料表面引入殘余應(yīng)力最高為-846 MPa。李禮等[11]對TC4合金板材表面進(jìn)行了超聲深滾處理，研究發(fā)現(xiàn)TC4合金板材的粗糙度參數(shù)明顯下降、顯微硬度增大，同時(shí)表層一定深度范圍內(nèi)引入了數(shù)值較大的殘余壓應(yīng)力，且有納米改性層存在于材料表層。蔣書祥等[12]對7050合金進(jìn)行超聲滾壓處理，處理后的7050合金表面微觀形貌得到明顯改善，粗糙度減小，且表層硬度及殘余壓應(yīng)力隨著加工次數(shù)的增多而增大，在一定范圍內(nèi)，硬度最大提高了43%，殘余應(yīng)力值最大達(dá)到-249 MPa。

綜上，超聲振動(dòng)滾壓加工技術(shù)作為一種有效提高金屬表面質(zhì)量的加工工藝，其對于提升Ti-6Al-4V合金表面質(zhì)量的有效性已經(jīng)得到驗(yàn)證，本文將Ti-6Al-4V合金棒材作為實(shí)驗(yàn)對象，對實(shí)驗(yàn)前后合金的粗糙度參數(shù)、XRD衍射譜圖、不同層深的顯微硬度及殘余應(yīng)力變化趨勢進(jìn)行系統(tǒng)分析，并結(jié)合材料截面微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像，研究該技術(shù)作用于Ti-6Al-4V合金時(shí)的強(qiáng)化機(jī)理，為其在實(shí)際工程應(yīng)用中提供理論依據(jù)。

1 超聲振動(dòng)滾壓加工系統(tǒng)及工作原理

根據(jù)不同零件的處理需求，可選擇合適的機(jī)床與超聲振動(dòng)滾壓設(shè)備配套使用，組成一套完整的實(shí)驗(yàn)裝置加工系統(tǒng)。另外該工藝處理過程中對加工材料施加的靜壓力相對較小，可以保證機(jī)床的精度不受影響。圖1為本文使用的加工裝置系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)物圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)加工裝置實(shí)物圖

圖2為實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)圖,主要由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、變幅桿、陶瓷球工具頭以及空氣壓縮機(jī)等輔助設(shè)備組成。超聲波發(fā)生器接收工頻交流電信號并轉(zhuǎn)化為超聲頻振蕩信號，然后傳遞給超聲換能器；超聲換能器將接收到的信號轉(zhuǎn)化為相同頻率的機(jī)械振動(dòng)并傳遞給變幅桿；變幅桿放大振動(dòng)振幅，將超聲振動(dòng)能量更集中的傳送到工具頭；工具頭通過與工件的直接接觸將超聲頻機(jī)械振動(dòng)和靜載壓力產(chǎn)生的能量傳至材料表層及內(nèi)部。工具頭的材質(zhì)為超硬合金和陶瓷，目前應(yīng)用最為廣泛是WC合金和氮化硅陶瓷。該系統(tǒng)的輔助設(shè)備包括空氣壓縮機(jī)、氣壓表及油泵等，空氣壓縮機(jī)輸出壓縮空氣為系統(tǒng)提供工作所需的靜壓力以及對換能器有冷卻作用;靜壓力的大小由壓力表調(diào)節(jié);油泵為加工過程提供冷卻潤滑油。

圖2 超聲振動(dòng)滾壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用直徑為40 mm的供應(yīng)態(tài)Ti-6Al-4V合金做為實(shí)驗(yàn)材料。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將實(shí)驗(yàn)材料在機(jī)床上進(jìn)行精車處理，去除表面氧化層，同時(shí)可以消除圓柱度誤差，防止材料在加工過程中發(fā)生跳動(dòng)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將EPU3S-C型超聲刀具系統(tǒng)安裝在CK6150D型數(shù)控車床上，此過程中需要保持刀具系統(tǒng)的中心軸線與加工的中心軸線處于同一水平位置。精車后的材料粗糙度Ra=0.97 μm，顯微硬度319HV。

采用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。除表1中參數(shù)外，加工過程中系統(tǒng)輸出頻率和振幅也對表面質(zhì)量影響較大，通過大量的預(yù)實(shí)驗(yàn)及結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)際情況，本次實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)的輸出頻率為(30±1)kHz，輸出振幅為12 μm。

表1 實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)

由于Ti-6Al-4V合金強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性差、彈性模量較低、化學(xué)性質(zhì)活潑等特點(diǎn)會使工具頭作用于該合金時(shí)摩擦系數(shù)較大、接觸點(diǎn)溫度較高進(jìn)而使工具頭磨損、軟化，增加加工難度，因此，本實(shí)驗(yàn)使用直徑10 mm的氮化硅陶瓷滾珠作為工具頭，同時(shí)在加工過程中使用機(jī)油和煤油(體積比3∶1)進(jìn)行冷卻和潤滑。

使用型號為IPRE SR300的粗糙度儀測量材料材料表面的粗糙度參數(shù)，包括Ra(粗糙度算術(shù)平均值)、Rq(均方根粗糙度)、Rk(核心粗糙度深度)、Rpk(最小波峰高度)和Rvk(最小波谷深度)；使用型號為D8ADVANCE的X射線衍射儀對材料表面進(jìn)行衍射分析；使用型號為S8000 FE-SEM掃描電鏡對材料截面的微觀組織結(jié)構(gòu)觀察；使用X-350A型X射線衍射殘余應(yīng)力測實(shí)設(shè)備檢測加工后材料的軸向殘余應(yīng)力，結(jié)合電解拋光技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同層深位置殘余應(yīng)力的測量；使用IPRE HV1000MD型顯微硬度儀測量加工前后材料的顯微硬度沿厚度方向的變化趨勢(加載25 g，保持時(shí)間15 s)。

3 結(jié)果及分析

3.1 表面粗糙度分析

加工過程中，由于超聲頻敲擊作用和靜負(fù)荷滾壓作用使材料表面發(fā)生局部塑性流動(dòng)，使其表面輪廓發(fā)生“切峰補(bǔ)谷”變化，從而改善材料的表面粗糙度。圖3給出了合金表面處理前后的粗糙度參數(shù)對比，從圖中可以直觀的看出，材料經(jīng)超聲振動(dòng)加工后材料各項(xiàng)表面粗糙度參數(shù)均有明顯減小，具體為Ra由0.97 μm降至0.17 μm，Rq由1.27 μm降至0.19 μm，Rk由2.67 μm降至0.3 μm，Rpk由2.2 μm降至0.16 μm，Rvk由1.24 μm降至0.24 μm。

圖3 加工前后合金表面粗糙度參數(shù)對比

圖4給出了超聲振動(dòng)滾壓加工前后材料的表面形貌，其中A部分為未加工區(qū)，B為過渡區(qū)，C為加工區(qū)。由圖4可以看出，加工前材料表面具有很明顯的車削紋路，而這些車削紋路會引起材料的抗疲勞、耐磨性及耐腐蝕性降低等一系列的表面質(zhì)量問題，處理后表面紋路基本消除，減小了其表面輪廓的微觀不平度，使得材料表面光滑平整。表面粗糙度減小可以有效減輕應(yīng)力集中和裂紋萌生現(xiàn)象，延長零部件的疲勞壽命，減少材料與腐蝕介質(zhì)的接觸面積，提高零部件的耐蝕性能。另外粗糙度參數(shù)的改善對于零部件的配合性質(zhì)及密封性也有重要價(jià)值。

圖4 過渡區(qū)域局部放大圖

3.2 組織性能分析

XRD譜圖可以體現(xiàn)出材料中的殘余應(yīng)力以及晶粒大小。根據(jù)X射線衍射布拉格方程，當(dāng)材料內(nèi)部有殘余應(yīng)力時(shí)會使材料本身的晶面間距產(chǎn)生改變，衍射角θ也會隨之發(fā)生變化，在XRD譜圖上表現(xiàn)為衍射峰的位移。當(dāng)材料內(nèi)部存在殘余壓應(yīng)力時(shí)，晶面間距變小，衍射角θ增大，衍射峰向著高角度偏移；反之，當(dāng)材料表面存在殘余拉應(yīng)力時(shí)，晶面間距增大，衍射角θ減小，衍射峰向著低角度偏移。根據(jù)謝樂公式，當(dāng)X射線入射到小晶體時(shí)，其XRD衍射峰將減弱寬化，晶粒粒徑越小，衍射峰減弱和寬化程度越大[13]。圖5為經(jīng)超聲振動(dòng)滾壓加工前后材料表面的XRD衍射譜圖，為便于對比分析，將衍射峰的頂點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)出。對比頂點(diǎn)坐標(biāo)可以看出，與加工前相比，加工后的合金的XRD譜衍射峰變?nèi)?、變寬且向高衍射角方向發(fā)生了偏移，說明該技術(shù)在處理Ti-6Al-4V合金表面時(shí)，可以改善殘余應(yīng)力分布，且具有使表層組織細(xì)化的作用。

圖5 加工前后合金的XRD衍射譜圖

在超聲振動(dòng)滾壓加工過程中，材料會同時(shí)受到超聲頻敲擊以及靜負(fù)荷滾壓的作用，誘發(fā)材料表面的不均勻塑性變形，從而在材料表面一定距離范圍為引入殘余壓應(yīng)力。不同層深的殘余應(yīng)力測量結(jié)果如圖6所示，可見，加工后的材料表層產(chǎn)生了較大的殘余壓應(yīng)力，殘余應(yīng)力值為-764 MPa，在距表層約50 μm處的殘余壓應(yīng)力值為-967 MPa。由于材料表面的無拘束效應(yīng)及超聲沖擊能量使材料表面溫度升高的因素使材料表面應(yīng)力釋放，導(dǎo)致表面的殘余壓應(yīng)力值低于次表面。因此，距表面深度0～50 μm的區(qū)域范圍內(nèi)，殘余壓應(yīng)力值隨著深度的增加而增大，當(dāng)距表面深度大于50 μm時(shí)，殘余壓應(yīng)力值隨著深度的增加而減小。

圖6 殘余應(yīng)力沿厚度方向變化

圖7為超聲振動(dòng)滾壓加工的Ti-6Al-4V合金截面微觀形貌圖，圖中白色顆粒狀組織為β相，其余組織為α相。由圖7可以看出，加工后的材料距表層50 μm的區(qū)域范圍產(chǎn)生了塑性變形，β相組織細(xì)化，且β相含量明顯低于基體。Ti-6Al-4V合金為α+β兩相組織，β相為體心立方結(jié)構(gòu)，具有較多的滑移系，易于產(chǎn)生較大的塑性變形[14]，在加工過程中被加工材料由于受到超聲頻敲擊以及靜負(fù)荷滾壓作用，使材料發(fā)生劇烈的塑性變形，導(dǎo)致位錯(cuò)密度增大，位錯(cuò)大量堆積纏結(jié)形成密度較大的位錯(cuò)墻，位錯(cuò)墻進(jìn)一步吸收位錯(cuò)，分割晶粒組織，使表層組織細(xì)化[15]。隨著距表面距離的增大，使材料表層內(nèi)部受到超聲頻敲擊及靜負(fù)荷滾壓的能量減弱，導(dǎo)致塑性變形程度和β相組織細(xì)化效果減弱。

圖7 Ti-6Al-4V合金截面微觀結(jié)構(gòu)

圖8給出了合金經(jīng)超聲振動(dòng)滾壓處理前后的截面高倍微觀結(jié)構(gòu)形，圖8(a)中紅色虛線為距表面50 μm位置。Ti-6Al-4V合金在超聲振動(dòng)滾壓加工過程中，由于受到工具頭的超聲頻敲擊，其表面發(fā)生塑性變形進(jìn)而產(chǎn)生組織細(xì)化。從圖8(a)可以看出，β相組織隨著深度增加而增大，且β相含量隨著深度增加而減小。對比圖8(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，Ti-6Al-4V合金經(jīng)超聲振動(dòng)滾壓加工后，其表層的β相明顯細(xì)化，呈細(xì)長狀,取向基本一致，β相的含量明顯降低。

圖8 Ti-6Al-4V合金截面微觀結(jié)構(gòu)

對加工前后不同深度顯微硬度測量對比結(jié)果如圖9所示。Ti-6Al-4V合金經(jīng)超聲振動(dòng)滾壓加工處理后，在其表面形成了厚度約140 μm的加工硬化層，該層深范圍內(nèi)顯微硬度逐漸下降至加工前的硬度水平，其表層顯微硬度可達(dá)到421HV。超聲振動(dòng)滾壓加工過程中，材料表層發(fā)生塑性變形，晶粒內(nèi)部位錯(cuò)滑移，β相組織細(xì)化，提高了材料的顯微硬度。結(jié)合3.2中的分析，加工后的合金表層β相組織隨著深度增加而逐漸增大，使其顯微硬度隨著深度的增加而減小，與傳統(tǒng)的Hall-Petch關(guān)系一致[16]。同時(shí)隨著深度的增加，消除材料內(nèi)部缺陷、提高材料致密度的效果減弱也是導(dǎo)致顯微硬度逐漸減小的原因。

圖9 顯微硬度沿厚度方向變化

4 結(jié) 論

1)超聲振動(dòng)滾壓加工技術(shù)可以有效改善Ti-6Al-4V合金表面粗糙度參數(shù)，消除材料表面的車削刀紋。

2)XRD衍射分析表明，超聲振動(dòng)滾壓技術(shù)在Ti-6Al-4V合金表面引進(jìn)殘余壓應(yīng)力，同時(shí)使表層組織細(xì)化。

3)Ti-6Al-4V合金經(jīng)過超聲振動(dòng)滾壓技術(shù)處理后，表層至深度約50 μm的區(qū)域，發(fā)生了較為明顯的塑性變形，在此區(qū)域內(nèi)β相組織細(xì)化，含量減少。在距表層50 μm至基體的區(qū)域范圍內(nèi)，β相組織呈細(xì)長條狀，且隨著距表面深度的增加，β相組織逐漸增大。

4)加工后Ti-6Al-4V合金表面的殘余應(yīng)力值為-764 MPa，距表面50 μm處的殘余壓應(yīng)力值為-967 MPa，當(dāng)距表面深度為0～50 μm時(shí)，殘余壓應(yīng)力值隨著深度的增加而增大，在距表面深度大于50 μm的區(qū)域范圍內(nèi)，殘余壓應(yīng)力值隨著深度的增加而減小。同時(shí)加工后材料表面的硬度由319HV提升至421HV，且隨著距表面距離的增大而減小，在距表面約140 μm位置到材料基體的區(qū)域范圍內(nèi)，顯微硬度基本保持不變，表明形成有效硬化層深度約為140 μm。