一种多场耦合表面强化的方法与流程

本发明属于金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种声电多场耦合表面强化的方法。

背景技术：

目前，国民经济领域中受交变载荷作用的零部件如动车轴承、发动机压气机叶片、涡轮盘和涡轮叶片、飞机起落架等关键构件，通常在交变载荷作用下易于产生疲劳失效，导致服役构件在有效寿命期内过早报废。实践表明，疲劳是对关键构件服役安全威胁最大的失效模式，而且由于疲劳失效具有低应力和无宏观变形等特征，与其他应力失效相比是一种更危险的失效模式。为避免各类构件和零部件的疲劳失效，目前主要是通过表面强化技术改善表层组织与应力状态以提高其疲劳性能和零部件的使用寿命。

传统表面强化技术比较有代表性的有喷丸强化和滚压强化，它们主要是通过在表层引入残余压应力并细化表层材料的微观组织结构来提高材料的疲劳性能。但是喷丸强化会使零件的表面粗糙度变大，对被处理零件的疲劳性能产生不利影响；而滚压强化在处理过程中会在滚压体和工件表面的接触处产生较大摩擦，造成工件次表面产生剪切应力并划伤工件表面，这不利于提高零件的疲劳强度。因此，随着经济和材料技术的发展出现了一些新型表面强化技术如激光冲击（又称激光喷丸）、超声冲击、超声喷丸和超声滚压等，在提高零件的抗疲劳、耐腐蚀和耐磨损等性能方面取得了不错的效果。

钛合金因其高的比强度和良好的耐蚀性等特点成为航空航天、石油化工和原子能工业等领域的重要结构材料。但由于钛合金存在着耐磨性和导热性差、高温易氧化失效等缺点，限制了其应用范围的进一步扩展。近年来，国内外学者在钛合金表面处理技术方面开展了广泛研究。如学者邹世坤，巩水利等人（发动机整体叶盘的激光冲击强化技术[j].中国激光,2011,38(6):1-7）阐述了，目前国际上还只有美国将激光冲击强化技术实际应用，且激光冲击强化技术工艺复杂，针对钛合金材料所需功率密度高（6gw/cm2以上），表面型面要求高（粗糙度达到0.4微米，型面精度达到0.07mm），同时激光冲击强化技术一般不能降低工件表面的粗糙度而且设备价格昂贵，限制了其广泛应用。国外学者sougataroy,johnw.fisher,bent.yen.等人（fatigueresistanceofweldeddetailsenhancedbyultrasonicimpacttreatment(uit)[j].internationaljournaloffatigue,2003,25:1239-1247.）发现超声冲击强化采用超声波驱动冲击针撞击被处理表面，撞击能量最大；美国的h.p.gunther等人还研究了超声冲击处理对在役焊接接头的修复，发现超声冲击可对在役焊接结构实现降应力处理，显著提高其性能，但经超声冲击处理后的表面一般有较大的粗糙度，不利于提高疲劳性能。

国外学者j.marteau,m.bigerelle,p.e.mazeran,s.bouvier.（relationbetweenroughnessandprocessingconditionsofalsi316lstainlesssteeltreatedbyultrasonicshotpeening[j].tribologyinternational,2015,82:319-329.）阐述了法国sonats公司于1996年开始超声喷丸强化技术的研究，目前已开发出一套超声喷丸技术（stressonicc）及其相应的超声波喷丸设备，并大量应用于航空航天、造船及汽车行业等。研究表明超声喷丸的优点在于可以获得比传统喷丸更深残余压应力层，且残余压应力的数值也更大，虽表面粗糙度好于传统喷丸工艺，但仍不理想，且重复击打会造成过量加工硬化，易使被处理表面残余应力在高温下产生应力松弛。

综上所述，如何提高和控制残余压应力层幅值和深度，同时改善材料塑性，避免过度加工硬化和不均匀塑性变形，降低表面粗糙度，实现表层组织细化，成为表面强化技术发展的关键。

技术实现要素：

本发明的目的在于开发一种声电多场耦合表面强化的方法，通过本发明改变单一超声滚压强化的不足，实现高幅值、大深度残余压应力层的控制与表层组织、表面粗糙度的“双纳米化”，建立脉冲电流、超声能场和静载力场协同驱动的强化方法，从而形成超声能场、脉冲电流和静载力场协同驱动表面强化的新技术方法。

为实现上述目的本发明提供如下技术方案：

一种多场耦合表面强化的方法，其特征在于，所述方法采用超声能场、脉冲电场和静载力场的多场耦合协同进行表面强化,其中超声能场通过引入残余压应力层实现表层组织细化，静载力场通过工件表面的塑性流动，降低表面粗糙度，再加上脉冲电场的集肤效应与电致塑性效应共同协同，对于硬度高和难加工的金属材料进行表面强化加工处理，得到硬度更高的表面强化层；

进一步地，所述方法包括：

s1：原材料准备，选取金属工件；

s2：测量出不同参数下使金属工件表面粗糙度最低的一种支撑装置参数、加工道次、加工压力和电流值；

s3：启动支撑装置带动金属工件旋转；

s4：施加脉冲电流到所述金属工件加工区，对金属工件加工区表层进行电致塑性处理，同时启动超声滚压装置对所述金属工件加工区表层进行首次超声滚压，对金属工件加工区表面进行首次电致塑性与超声滚压耦合加工处理；

s5：改变脉冲电流参数，重复上述步骤s3，对所述金属工件加工区表面进行二次电致塑性与超声滚压耦合加工处理，使所述金属工件加工区表层形成强化层；

进一步地，所述步骤s2的具体过程如下：

a超声滚压的部分参数为压力0.3mpa，电流0.7a，加工道次1次，改变支撑装置的主轴转速和轴向进给，测出不同参数下金属工件表面粗糙度最低的一种支撑装置参数；

b超声滚压的部分参数为主轴转速40r/min，轴向进给0.15mm/r，压力0.3mpa，电流0.7a，改变加工的道次，测出不同参数下金属工件表面粗糙度最低的加工道次；

c超声滚压的部分参数为主轴转速40r/min，轴向进给0.15mm/r，电流0.7a，加工道次1次，压力变化范围为0.1-0.5mpa，测出不同参数下金属工件表面粗糙度最低的加工压力；

d超声滚压的部分参数为主轴转速40r/min，轴向进给0.15mm/r，压力0.3mpa，加工道次1次，电流变化范围为0.1-1.0a，测出不同参数下金属工件表面粗糙度最低的电流值；

进一步地，所述步骤s4中首次超声滚压的同时对金属工件加工区施加较大的脉冲电流，在上述步骤s4结束后，执行步骤s5操作改变脉冲电流参数时对金属工件加工区施加较小的脉冲电流。

进一步地，所述步骤s4中首次超声滚压加工的次数和所述步骤s5中二次超声滚压加工的次数分别为一次或多次，所述首次超声滚压加工和二次超声滚压加工也可作为独立的加工方法配合相应参数的脉冲电流单独使用；

进一步地，所述支撑装置可以为车床、铣床等机床工作平台。

本发明的有益效果如下：

1、本发明采用超声能场、脉冲电场和静载力场的多场耦合协同表面强化方法，超声能场通过引入残余压应力层实现表层组织细化，静载力场通过工件表面的塑性流动，降低表面粗糙度，再加上脉冲电场的集肤效应与电致塑性效应，可以实现对高幅值、大深度残余压应力层的控制以及表层组织、表面粗糙度的双纳米化，避免过度加工硬化和不匀称塑性变形，从而大幅度提高材料的疲劳性能；

2、本发明揭示了超声能场、脉冲电流与静力场耦合作用下的表层残余压应力的形成规律，探究了特殊能场对位错运动、动态再结晶、晶粒生长等组织结构的演变规律，表面强化层深的控制方法使加工后的金属工件表层硬度更高，表面强化层深度更大，工件耐磨性、抗应力腐蚀性能和疲劳寿命得到进一步提高，降低了生产成本；

3、本发明工艺简单，可控度高，减少了后续加工工序和成本，对于硬度高和难加工的金属材料，本发明对其表面强化加工处理可以得到硬度更高的表面强化层，可大大提高加工效率。

附图说明

图1为一种声电多场耦合表面强化的方法电脉冲辅助超声冲击对2y12铝合金表面强化的照片；

图2一种声电多场耦合表面强化的方法tc4钛合金原始试样在20倍物镜下测的三维形貌；

图3为一种声电多场耦合表面强化的方法电脉冲辅助超声冲击强化试样在10倍物镜下测的三维形貌。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：

如图1-图3所示，本发明提供了一种多场耦合表面强化的方法，所述方法首先进行金属工件的选取，测量出不同参数下使金属工件表面粗糙度最低的一种支撑装置参数、加工道次、加工压力和电流值，然后启动支撑装置带动金属工件旋转，通过施加脉冲电流到金属工件加工区，同时使用超声滚压装置对加工区表层进行超声滚压，通过集肤效应与电致塑性效应的结合最终形成超声能场、脉冲电场和静载力场多场耦合协同强化表面的强化层。

所述方法包括：

s1：原材料准备，选取金属工件；

s2：测量出不同参数下使金属工件表面粗糙度最低的一种支撑装置参数、加工道次、加工压力和电流值；

s3：启动支撑装置带动金属工件旋转；

s4：施加脉冲电流到所述金属工件加工区，对金属工件加工区表层进行电致塑性处理，同时启动超声滚压装置对所述金属工件加工区表层进行首次超声滚压，对金属工件加工区表面进行首次电致塑性与超声滚压耦合加工处理；

s5：改变脉冲电流参数，重复上述步骤s3，对所述金属工件加工区表面进行二次电致塑性与超声滚压耦合加工处理，使所述金属工件加工区表层形成强化层。

所述步骤s2的具体过程如下：

a超声滚压的部分参数为压力0.3mpa，电流0.7a，加工道次1次，改变支撑装置的主轴转速和轴向进给，测出不同参数下金属工件表面粗糙度最低的一种支撑装置参数；

b超声滚压的部分参数为主轴转速40r/min，轴向进给0.15mm/r，压力0.3mpa，电流0.7a，改变加工的道次，测出不同参数下金属工件表面粗糙度最低的加工道次；

c超声滚压的部分参数为主轴转速40r/min，轴向进给0.15mm/r，电流0.7a，加工道次1次，压力变化范围为0.1-0.5mpa，测出不同参数下金属工件表面粗糙度最低的加工压力；

d超声滚压的部分参数为主轴转速40r/min，轴向进给0.15mm/r，压力0.3mpa，加工道次1次，电流变化范围为0.1-1.0a，测出不同参数下金属工件表面粗糙度最低的电流值。

所述步骤s4中首次超声滚压的同时对金属工件加工区施加较大的脉冲电流，在上述步骤s4结束后，执行步骤s5操作改变脉冲电流参数时对金属工件加工区施加较小的脉冲电流。

所述步骤s4中首次超声滚压加工的次数和所述步骤s5中二次超声滚压加工的次数分别为一次或多次，所述首次超声滚压加工和二次超声滚压加工也可作为独立的加工方法配合相应参数的脉冲电流单独使用。

所述支撑装置可以为车床、铣床等机床工作平台。

在选取最适宜的超声滚压设备参数的同时选择不同的高能电脉冲辅助加工参数如电脉冲参数（如电脉冲放电电压、脉宽值、放电频率等），测试在高能电脉冲辅助加工条件下获得的力学性能如拉伸强度、延伸率、硬度等数据，优化高能电脉冲辅助加工方法。

实施例1

本实施例选用tc4钛合金棒材，退火态，具体工艺过程如下：

（1）选取钛合金棒材为原材料，车床为支撑装置，棒材直径为35mm，长度约为150mm；

（2）固定超声滚压的部分参数为压力0.3mpa，电流0.7a，加工道次为1次，改变车床的主轴转速和轴向进给，测出不同参数下表面粗糙度最低的一种车床参数；

（3）固定超声滚压的部分参数为主轴转速40r/min，轴向进给0.15mm/r，压力0.3mpa，电流0.7a，改变加工的道次，测出不同参数下表面粗糙度最低的加工道次；

（4）固定超声滚压的部分参数主轴转速40r/min，轴向进给0.15mm/r，电流0.7a，加工道次1次，改变压力，压力变化范围为0.1-0.5mpa，测出不同参数下表面粗糙度最低的加工压力；

（5）固定超声滚压的部分参数为主轴转速40r/min，轴向进给0.15mm/r，压力0.3mpa，加工道次为1次，改变电流，电流变化范围为0.1-1.0a，测出不同参数下表面粗糙度最低的电流值；

（7）启动车床带动钛合金棒材旋转，施加较大脉冲电流到所述钛合金棒材加工区，对钛合金棒材表层进行电致塑性处理，同时启动超声滚压装置对所述钛合金棒材表层进行首次超声滚压，对钛合金棒材加工区表面进行首次电致塑性与超声滚压耦合加工处理；

（8）改变脉冲电流参数，施加较小脉冲电流，重复上述步骤（7），对所述钛合金棒材表面进行二次电致塑性与超声滚压耦合加工处理，使所述钛合金棒材表层形成强化层。

实施例2

本实施例选用2y12铝合金棒材，具体工艺过程如下：

（1）选取铝合金棒材为原材料，车床为支撑装置，棒材直径为35mm，长度约为150mm；

（2）固定超声滚压的部分参数为压力0.1mpa，电流0.6a，加工道次为1次，改变车床的主轴转速和轴向进给，测出不同参数下表面粗糙度最低的一种车床参数；

（3）固定超声滚压的部分参数为主轴转速60r/min，轴向进给0.15mm/r，压力0.1mpa，电流0.6a，改变加工的道次，测出不同参数下表面粗糙度最低的加工道次；

（4）固定超声滚压的部分参数主轴转速60r/min，轴向进给0.15mm/r，电流0.6a，加工道次1次，改变压力，压力变化范围为0.1-0.5mpa，测出不同参数下表面粗糙度最低的加工压力；

（5）固定超声滚压的部分参数为主轴转速60r/min，轴向进给0.15mm/r，压力0.1mpa，加工道次为1次，改变电流，电流变化范围为0.1-1.0a，测出不同参数下表面粗糙度最低的电流值；

（7）启动车床带动铝合金棒材旋转，施加较大脉冲电流到所述铝合金棒材加工区，对铝合金棒材表层进行电致塑性处理，同时启动超声滚压装置对所述铝合金棒材表层进行首次超声滚压，对铝合金棒材加工区表面进行首次电致塑性与超声滚压耦合加工处理；

（8）改变脉冲电流参数，施加较小脉冲电流，重复上述步骤（7），对所述铝合金棒材表面进行二次电致塑性与超声滚压耦合加工处理，使所述铝合金棒材表层形成强化层。