本文考慮了不同的表麵嚴(yan) 重塑性變形技術，研究了工藝參數和各處理動能對鎳基合金Inconel 718微觀組織、機械性能和疲勞行為(wei) 的影響。

摘要

由於(yu) 工程部件中的大多數故障都是從(cong) 表麵層開始的，因此應用表麵處理可以在控製材料性能和壽命方麵發揮關(guan) 鍵作用。在本研究中，考慮了不同的表麵嚴(yan) 重塑性變形技術，包括嚴(yan) 重噴丸、激光衝(chong) 擊噴丸和超聲波納米晶表麵改性。研究了工藝參數和各處理動能對鎳基合金Inconel 718微觀組織、機械性能和疲勞行為(wei) 的影響。結果表明，使用合適的參數來提高表麵處理的動能，可以有效地促進inconel718試樣的表麵晶粒細化，並在試樣中產(chan) 生較深的殘餘(yu) 壓應力場。在應用的處理方法中，超聲納米晶表麵改性被認為(wei) 是改善機械性能最有效的方法，因為(wei) 它導致了最顯著的疲勞性能，其次是嚴(yan) 重的噴丸和激光衝(chong) 擊噴丸。

1.介紹

工程部件中的大多數機械故障尤其是疲勞故障，大多始於(yu) 表麵。因此最近提出了多種處理表麵嚴(yan) 重塑性變形（SSPD）的方法，如表麵機械磨損處理（SMAT）、噴丸處理（SP）、超聲波噴丸處理（USP），超聲波納米晶表麵改性（UNSM）和激光衝(chong) 擊噴丸（LSP），以提高機械部件的功能性和使用壽命。這些過程通過三個(ge) 主要因素來改善金屬材料的機械性能和疲勞行為(wei) :誘導晶粒細化，在塑性變形的表層中產(chan) 生殘餘(yu) 壓應力，以及改變表麵粗糙度。

（a）處理樣本的橫截麵OM圖像。（b） AR和CSP樣品的典型微觀結構。（c） SSP1和SSP2嚴(yan) 重噴丸樣品的FESEM觀察。（d） OM和（e）FESEM分別顯示了噴丸試樣的表麵形貌。

在本研究中，我們(men) 選擇了三種最有效的SSPD處理方法，即SP、UNSM和LSP工藝，以研究它們(men) 對Inconel 718微觀結構和機械性能的影響。鎳基超級合金，如Inconel 718，由於(yu) 其卓越的機械性能、耐腐蝕性、焊接特性、良好的氧化性和高溫下的高蠕變性能，被認為(wei) 是腐蝕性環境中結構應用的關(guan) 鍵解決(jue) 方案。

圖1為(wei) 所選技術及其對處理材料的上表麵層的影響的示意圖。目標材料的表麵受到由壓縮空氣加速的隨機流動噴丸的轟擊，以達到可控的速度（見圖1a）。根據SP處理的總動能，該過程可分為(wei) 兩(liang) 類：常規噴丸（CSP）和嚴(yan) 重噴丸（SSP）。在SSP類別中，與(yu) CSP相比，更高的Almen強度和/或覆蓋水平用於(yu) 增加噴丸流的動能總量。由於(yu) 後一個(ge) 因素，SSP導致顯著的表麵晶粒細化至納米結構（NS）區域，產(chan) 生梯度結構。SSP處理中增加的動能也會(hui) 導致表麵和深度產(chan) 生更深的殘餘(yu) 壓應力。這些處理已應用於(yu) 不同類別的材料，從(cong) 而提高了機械性能。

圖1 不同表麵SPD處理和目標材料相應塑性變形頂麵的示意圖：（a）SP，（b）UNSM和（c）LSP工藝。

在CSP（Almen強度為(wei) 14 A，覆蓋率為(wei) 100%）和SSP（Almen強度為(wei) 36 A，覆蓋率為(wei) 2000%）後，收到的AISI 304鋼的軸向疲勞極限分別從(cong) 310 MPa提高到330 MPa和435 MPa。同樣，在Almen強度為(wei) 16 A、覆蓋率為(wei) 1000%的SSP後，收到的385 MPa X70微合金鋼的彎曲疲勞極限提高到440 MPa。據報道，經過SSP處理的純鈦、AZ31和AZ91鎂合金的耐磨性和耐腐蝕性也得到了極大提高，這是因為(wei) 表麵納米化和SSP引起的高壓縮殘餘(yu) 應力。

(a, b)用Ra≈40µm製備的PBF純Cu樣品和(c, d)用Ra≈4µm磁驅動磨料拋光後的SEM和共焦顯微鏡圖像。HCAF對LPBF鋁合金AlSi10Mg表麵粗糙度降低的影響:(b)預製時和(c)采用HCAF後。UCAF對LPBF Inconel 625表麵形貌的影響:(d)建成時和(e)采用HCAF後。

相反，UNSM是一種基於(yu) 機械衝(chong) 擊的表麵處理，通過堅硬的Al2O3、WC或Si3N4球形尖端，通過高超聲振動頻率進行應用。超聲波發生器產(chan) 生的高頻振動通過喇叭和探頭係統通過助推器放大。該係統將靜態和動態荷載組合應用於(yu) 表麵（見圖1b）。據報道，UNSM可提高金屬材料的耐磨性、疲勞性、微動疲勞性、腐蝕性和應力腐蝕性。這種改善是由於(yu) 表麵晶粒細化和硬化頂麵層中產(chan) 生的高壓縮殘餘(yu) 應力。

此外，據報道，在應用UNSM後，粗糙度值略有增加，並獲得了微凹陷的表麵形貌。通過調節超聲波頻率和振幅，UNSM可以誘導顯著的晶粒細化。最近，UNSM已被用於(yu) 將增材製造過程中產(chan) 生的拉伸殘餘(yu) 應力轉換為(wei) 工具鋼的壓縮應力。除了產(chan) 生殘餘(yu) 壓應力外，據報道UNSM還將原始奧氏體(ti) 結構轉變為(wei) 亞(ya) 穩馬氏體(ti) 。因此，盡管工具鋼的硬度非常高，但據報道UNSM能夠進一步改善其磨損性能。在熱表麵處理之前，UNSM還被用作預處理，以增加受影響層的厚度。影響層厚度的增加歸因於(yu) AISI M4工具鋼的缺陷密集亞(ya) 穩馬氏體(ti) 結構，該結構在滲氮處理時可觸發氮的擴散能力。因此，可以進一步改善超高強度鋼的磨損和腐蝕性能。

另一方麵，激光衝(chong) 擊噴丸（LSP）是一種表麵改性工藝，利用高能脈衝(chong) 激光束在目標材料表麵產(chan) 生衝(chong) 擊波（見圖1c）。高能等離子體(ti) 通過吸收元素的蒸發出現在表麵。等離子體(ti) 能量導致殘餘(yu) 應力和高塑性應變的產(chan) 生，從(cong) 而導致表麵晶粒細化。LSP由於(yu) 其局部熱影響，在晶粒細化方麵不如SP和UNSM等機械處理有效。LSP廣泛用於(yu) 改善金屬的疲勞、磨損、微動疲勞和耐腐蝕性。據報道，使用LSP後，2024-T351鋁合金的裂紋擴展速率降低，疲勞壽命提高（63.5%）。同樣，LSP處理也會(hui) 對表麵粗糙度產(chan) 生不利影響。

上述三種技術均通過表麵塑性變形誘導表麵晶粒細化和殘餘(yu) 壓應力；然而，它們(men) 的影響程度不同，並且隨著感興(xing) 趣的材料而不同。

關(guan) 於(yu) 上述表麵SPD技術在Inconel 718上的應用研究很少，Inconel 718是一種在不同工業(ye) 部門經常使用的材料。本研究通過分析表麵粗糙度、殘餘(yu) 應力的分布和鬆弛以及CSP處理試樣與(yu) 拋光試樣的疲勞壽命，研究了CSP處理的影響。結果表明，CSP可將高周疲勞壽命從(cong) 2倍提高到20倍，具體(ti) 取決(jue) 於(yu) 工藝參數。據報道，在施加4A和8 A的CSP工藝後，拋光試樣的Rt表麵粗糙度從(cong) 7.15μm增加到8.65μm和25.38μm。此外，在4A和8 A強度下，表麵誘導的殘餘(yu) 應力分別為(wei) - 810 MPa和- 920 MPa，而拋光樣品的表麵殘餘(yu) 應力為(wei) - 90 MPa。

在本研究中，研究了三種SPD表麵處理，即SP、UNSM和LSP對Inconel 718試樣的影響，並從(cong) 機械性能方麵進行了比較。考慮了三種不同的SP工藝，包括具有不同Almen強度和覆蓋率的CSP和SSP、具有不同靜態負載的兩(liang) 種UNSM工藝和具有不同激光功率密度的兩(liang) 種不同LSP工藝。處理後的試樣在微觀結構、表麵粗糙度、硬度、殘餘(yu) 應力分布及其在疲勞試樣中的鬆弛方麵進行了表征。在特定應力振幅下，比較了接收試樣（AR）和處理試樣的疲勞壽命。

在AM竣工材料的頂麵和側(ce) 麵進行了軋製。如果選擇合適的參數，軋製也可以產(chan) 生晶粒細化（見圖i和j），並在處理層中產(chan) 生殘餘(yu) 壓應力；這些特征可以改善機械性能（見圖o和p），並降低表麵粗糙度。

2.實驗

根據ASTM E466標準製備疲勞試樣，以研究AR和處理材料的軸向疲勞行為(wei) 。圖2a顯示了通過體(ti) 視學方法確定的平均晶粒尺寸約為(wei) 40μm的AR材料的微觀結構。使用圖2b中的Nomarski對比，可以觀察到由軋製引起的溶質帶狀線。疲勞試樣的尺寸和應用表麵處理的考慮區域如圖2c所示。所選中心區域的所有四個(ge) 側(ce) 麵都進行了噴丸處理。

圖2 收到的Inconel 718（a）無對比度和（b）無對比度的代表性光學顯微照片。（c）軸向疲勞試樣的形狀和尺寸。

3.結果和討論

3.1. 微觀結構表征

不同表麵處理後試樣的橫截麵OM顯微圖如圖3所示。顯微鏡觀察表明，表麵層的晶粒明顯細化。對於(yu) 每一個(ge) 過程，與(yu) 底部所示的圖像相比，頂行圖像對應於(yu) 使用較低動能處理的樣本。通過增加SP中的Almen強度和覆蓋率，增加UNSM中的靜載荷，以及提高LSP中的激光束能量，可以獲得更高的動能。總的來說，考慮到所有係列的低能和高能處理，用較高動能處理的試樣顯示出較高的塑性變形表層深度。

圖3 處理樣本的橫截麵OM顯微照片：（a）SP，（c）UNSM和（c）LSP。與(yu) 底行樣本相比，頂行圖像對應於(yu) 每個(ge) 處理使用較低動能處理的樣本。

此外，通過FESEM對處理試樣的橫截麵進行高倍放大的微觀結構觀察。將生成的NS層從(cong) 底層晶粒細化和加工硬化材料中分離出來的尖銳邊界，可以清楚地識別出來，類似於(yu) 通過基於(yu) SP和UNSM處理的材料。

為(wei) 了獲得處理後試樣上表麵的晶粒尺寸，根據晶粒細化程度，對試樣采用了兩(liang) 種方法：體(ti) 視學分析和XRD分析。CSP、LSP1和LSP2試樣經過較低的動能處理，預計其表麵晶粒細化程度較低。因此，對於(yu) 這些樣本，頂部表麵被輕輕拋光，去除約3μm的非常薄的一層，然後進行蝕刻以進行OM觀察和圖像分析。CSP、LSP1和LSP2試樣的平均晶粒尺寸分別約為(wei) 30μm、35μm和26μm。對於(yu) 晶粒細化程度較高的試樣，包括SSP1、SSP2、UNSM1和UNSM2，通過考慮衍射峰的全寬半最大值（FWHM）來確定平均微晶尺寸。這些樣品的XRD圖譜如圖4a和b所示。如圖4c所示，在UNSM樣品中觀察到晶粒尺寸和晶粒細化層範圍方麵最顯著的晶粒細化，其次是SP和LSP處理的樣品。

圖4 SSP和UNSM試樣在2θ不同衍射角下的XRD譜圖：(a) 30 ~ 150°，(b) 42 ~ 45.5°，(c) AR和處理後試樣的表麵晶粒尺寸，(d) SP、UNSM和LSP表麵處理引起的塑性變形層深度。

圖4d顯示了塑性變形層的深度。變形層的深度通過OM確定。通過增加過程動能，SSP和UNSM處理的塑性變形層深度顯著增加。

3.2. 機械性能和疲勞性能

圖5a描繪了從(cong) 頂麵到芯材的AR和處理試樣的顯微硬度分布。結果表明，對於(yu) 每種處理，較高的動能導致較高的表麵顯微硬度。與(yu) CSP和LSP相比，UNSM和SSP處理在提高顯微硬度方麵更有效。從(cong) UNSM2、SSP2、SSP1、UNSM1、LSP2、CSP和LSP1獲得的表麵硬度改善估計分別約為(wei) 44%、35%、27%、24%、18%、15%和9%。這些結果突出了較高動能的顯著效果，以及在SSP處理後UNSM的效率。

圖5 獲得了（a）顯微硬度剖麵（b）壓縮殘餘(yu) 應力分布（c）表麵粗糙度參數和（d）900 MPa最大應力下的疲勞壽命的結果。

圖5b顯示了從(cong) 處理表麵到材料深度的誘導壓縮殘餘(yu) 應力分布。與(yu) 其他應用處理相比，UNSM產(chan) 生了更高的壓縮殘餘(yu) 應力。LSP2和LSP1分別比SSP2和SSP1產(chan) 生更高的表麵壓縮殘餘(yu) 應力；CSP試樣的殘餘(yu) 應力範圍在所有係列中最低。在深度為(wei) 500 μm時，UNSM和SP工藝誘導的殘餘(yu) 壓應力均小於(yu) −50 MPa，而LSP工藝誘導的殘餘(yu) 壓應力約為(wei) −200 MPa。結果表明，UNSM處理可以顯著提高表麵和深度壓縮殘餘(yu) 應力場。

圖5c顯示了AR和處理試樣的表麵粗糙度參數。AR試樣的Ra值約為(wei) 0.85μm。CSP導致Ra增加4.5μm。SSP的變形增加進一步將Ra增加至4.8μm。相反，UNSM和LSP將Ra值保持在3–3.5μm左右。所有應用的處理都導致表麵粗糙度增加，隨著過程動能的增加，這一點變得更加顯著。雖然SSP和UNSM導致表麵粗糙度顯著增加，但LSP的表麵粗糙化效果仍然有限。

所有提到的機械性能和參數，包括塑性變形層的深度、晶粒尺寸、顯微硬度、殘餘(yu) 壓應力和表麵粗糙度，對試樣疲勞行為(wei) 的改變具有相對重要性。采用900 MPa的最大應力水平，比較了不同表麵處理條件下試樣的高周疲勞壽命。據估計，UNSM2、UNSM1、SSP2、LSP2、SSP1、LSP1和CSP試樣（如圖5d所示）的疲勞壽命提高分別約為(wei) AR試樣的5.25、4.69、3.71、3.21、2.32、2.06和1.65倍。表麵晶粒尺寸最小、變形層和NS層深度最高、硬度和壓縮殘餘(yu) 應力最高、表麵粗糙度不最高的UNSM2試樣代表了最顯著的疲勞壽命改善。

對比LSP2和SSP1試樣，可以觀察到，盡管與(yu) SSP1試樣相比，LSP處理試樣的受影響層厚度較低，顯微硬度較低，但較低的表麵粗糙度和較高的壓縮殘餘(yu) 應力在900 MPa的最大應力下導致較高的疲勞壽命。

為(wei) 了更好地了解誘導壓縮殘餘(yu) 應力對疲勞壽命改善的影響，根據獲得的平均疲勞壽命，研究了不同加載循環下的殘餘(yu) 應力鬆弛。圖6a至f描繪了疲勞試樣在上述周期間隔內(nei) 的殘餘(yu) 壓應力分布。殘餘(yu) 應力鬆弛與(yu) 循環次數之間存在直接關(guan) 係。圖6g顯示了N=0.7nF下疲勞加載後的殘餘(yu) 應力分布。可以看出，與(yu) 其他係列相比，UNSM試樣在表麵和深度上的殘餘(yu) 壓應力都較高。UNSM係列中殘餘(yu) 應力的更高穩定性可能有助於(yu) 提高這些試樣的疲勞壽命。

圖6 （a–f）1、0.3 Nf、0.5 Nf和0.7 Nf循環後疲勞試樣中殘餘(yu) 壓應力的分布，（g） N=0.7 Nf時疲勞加載試樣殘餘(yu) 應力分布的比較，（h）在不同循環間隔測量的表麵壓縮殘餘(yu) 應力的差異百分比（Nf是相應係列的疲勞壽命）。

圖6h顯示了不同狀態下表麵殘餘(yu) 應力鬆弛的不同百分比。考慮到初始狀態和第一個(ge) 循環時的疲勞試樣，發生了顯著的鬆弛（約20–35%）。然而，考慮到表麵殘餘(yu) 應力在0.5 Nf到0.7 Nf循環之間的差異百分比，觀察到約3–13%的殘餘(yu) 應力鬆弛。與(yu) 未經疲勞試驗的試樣相比，約46–68%的誘導壓縮殘餘(yu) 應力在0.7nF下鬆弛，如圖6h所示。

4.結論

在本研究中，采用不同的工藝參數，對Inconel 718試樣進行了基於(yu) 嚴(yan) 重塑性變形的各種表麵處理，包括嚴(yan) 重噴丸（SSP）、超聲波納米晶表麵改性（UNSM）和激光衝(chong) 擊噴丸（LSP）。研究了這些處理及其工藝參數對處理材料微觀結構和機械性能的影響。結論總結如下：

•所有應用的處理都有效地誘導了處理試樣表麵的塑性變形。測定了最高動能處理的影響層平均深度，UNSM為(wei) 160μm，SSP為(wei) 110μm，LSP為(wei) 45μm。UNSM和SSP在擴大嚴(yan) 重塑性變形深度方麵更有效。

•采用適當參數的UNSM和SSP處理可產(chan) 生較高的動能，顯著有助於(yu) 表麵晶粒細化至納米級。SSP和UNSM試樣的平均晶粒度分別為(wei) 23.1 nm和21.95 nm

•對於(yu) 動能最高的UNSM、SSP和LSP處理，表麵顯微硬度分別提高了44%、35%和15%。

•就壓縮殘餘(yu) 應力（高於(yu) 1000 MPa）而言，UNSM是表麵區域最有效的處理方法。LSP和SSP工藝在表麵上顯示了可比較的數據。然而，考慮到壓縮殘餘(yu) 應力場的深度，SSP處理的影響在約250μm處消失，而UNSM試樣的平均深度約為(wei) 400μm。

•關(guan) 於(yu) 受殘餘(yu) 壓應力影響的層深度，發現LSP是最有效的表麵處理方法，受影響的厚度為(wei) 500μm。然而，在疲勞循環後，發現UNSM引起的殘餘(yu) 應力在深度上也更穩定。在UNSM2和SSP2的情況下，獲得了關(guan) 於(yu) 鬆弛後殘餘(yu) 應力分布的最穩定數據。

•在UNSM、SSP和LSP處理後，當采用每種處理的最高動能進行處理時，疲勞壽命分別比收到的試樣提高5.25、3.71和3.21倍。這種趨勢可歸因於(yu) 壓縮殘餘(yu) 應力和表層晶粒細化。

•表麵粗糙度的增加會(hui) 限製疲勞抗力的提高。可以考慮采用替代的二次後處理來降低粗糙度。通過數值模擬方法，可以以較低的成本優(you) 化工藝參數，從(cong) 而為(wei) 表麵晶粒細化、殘餘(yu) 壓應力和表麵質量的優(you) 化範圍選擇合適的工藝參數。

來源：The effects of shot peening, laser shock peening and ultrasonic nanocrystal surface modification on the fatigue strength of Inconel 718，Materials Science and Engineering: A，doi.org/10.1016/j.msea.2021.141029

參考文獻：E. Maleki, S. Bagherifard, M. Bandini, M. Guagliano，Surfacepost-treatments for metal additive manufacturing: progress, challenges, and opportunities，Addit. Manuf., 37 (January 2021), Article 101619,10.1016/j.addma.2020.101619