本文考慮了不同的表面嚴重塑性變形技術(shù)，研究了工藝參數(shù)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的影響。

摘要

由于工程部件中的大多數(shù)故障都是從表面層開始的，因此應(yīng)用表面處理可以在控制材料性能和壽命方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。在本研究中，考慮了不同的表面嚴重塑性變形技術(shù)，包括嚴重噴丸、激光沖擊噴丸和超聲波納米晶表面改性。研究了工藝參數(shù)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的影響。結(jié)果表明，使用合適的參數(shù)來提高表面處理的動能，可以有效地促進inconel718試樣的表面晶粒細化，并在試樣中產(chǎn)生較深的殘余壓應(yīng)力場。在應(yīng)用的處理方法中，超聲納米晶表面改性被認為是改善機械性能最有效的方法，因為它導(dǎo)致了最顯著的疲勞性能，其次是嚴重的噴丸和激光沖擊噴丸。

1.介紹

工程部件中的大多數(shù)機械故障尤其是疲勞故障，大多始于表面。因此最近提出了多種處理表面嚴重塑性變形（SSPD）的方法，如表面機械磨損處理（SMAT）、噴丸處理（SP）、超聲波噴丸處理（USP），超聲波納米晶表面改性（UNSM）和激光沖擊噴丸（LSP），以提高機械部件的功能性和使用壽命。這些過程通過三個主要因素來改善金屬材料的機械性能和疲勞行為:誘導(dǎo)晶粒細化，在塑性變形的表層中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，以及改變表面粗糙度。

（a）處理樣本的橫截面OM圖像。（b） AR和CSP樣品的典型微觀結(jié)構(gòu)。（c） SSP1和SSP2嚴重噴丸樣品的FESEM觀察。（d） OM和（e）FESEM分別顯示了噴丸試樣的表面形貌。

在本研究中，我們選擇了三種最有效的SSPD處理方法，即SP、UNSM和LSP工藝，以研究它們對Inconel 718微觀結(jié)構(gòu)和機械性能的影響。鎳基超級合金，如Inconel 718，由于其卓越的機械性能、耐腐蝕性、焊接特性、良好的氧化性和高溫下的高蠕變性能，被認為是腐蝕性環(huán)境中結(jié)構(gòu)應(yīng)用的關(guān)鍵解決方案。

圖1為所選技術(shù)及其對處理材料的上表面層的影響的示意圖。目標材料的表面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(jù)SP處理的總動能，該過程可分為兩類：常規(guī)噴丸（CSP）和嚴重噴丸（SSP）。在SSP類別中，與CSP相比，更高的Almen強度和/或覆蓋水平用于增加噴丸流的動能總量。由于后一個因素，SSP導(dǎo)致顯著的表面晶粒細化至納米結(jié)構(gòu)（NS）區(qū)域，產(chǎn)生梯度結(jié)構(gòu)。SSP處理中增加的動能也會導(dǎo)致表面和深度產(chǎn)生更深的殘余壓應(yīng)力。這些處理已應(yīng)用于不同類別的材料，從而提高了機械性能。

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

在CSP（Almen強度為14 A，覆蓋率為100%）和SSP（Almen強度為36 A，覆蓋率為2000%）后，收到的AISI 304鋼的軸向疲勞極限分別從310 MPa提高到330 MPa和435 MPa。同樣，在Almen強度為16 A、覆蓋率為1000%的SSP后，收到的385 MPa X70微合金鋼的彎曲疲勞極限提高到440 MPa。據(jù)報道，經(jīng)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，這是因為表面納米化和SSP引起的高壓縮殘余應(yīng)力。

(a, b)用Ra≈40μm制備的PBF純Cu樣品和(c, d)用Ra≈4μm磁驅(qū)動磨料拋光后的SEM和共焦顯微鏡圖像。HCAF對LPBF鋁合金AlSi10Mg表面粗糙度降低的影響:(b)預(yù)制時和(c)采用HCAF后。UCAF對LPBF Inconel 625表面形貌的影響:(d)建成時和(e)采用HCAF后。

相反，UNSM是一種基于機械沖擊的表面處理，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(yīng)用。超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻振動通過喇叭和探頭系統(tǒng)通過助推器放大。該系統(tǒng)將靜態(tài)和動態(tài)荷載組合應(yīng)用于表面（見圖1b）。據(jù)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(yīng)力腐蝕性。這種改善是由于表面晶粒細化和硬化頂面層中產(chǎn)生的高壓縮殘余應(yīng)力。

此外，據(jù)報道，在應(yīng)用UNSM后，粗糙度值略有增加，并獲得了微凹陷的表面形貌。通過調(diào)節(jié)超聲波頻率和振幅，UNSM可以誘導(dǎo)顯著的晶粒細化。最近，UNSM已被用于將增材制造過程中產(chǎn)生的拉伸殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)換為工具鋼的壓縮應(yīng)力。除了產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力外，據(jù)報道UNSM還將原始奧氏體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)馬氏體。因此，盡管工具鋼的硬度非常高，但據(jù)報道UNSM能夠進一步改善其磨損性能。在熱表面處理之前，UNSM還被用作預(yù)處理，以增加受影響層的厚度。影響層厚度的增加歸因于AISI M4工具鋼的缺陷密集亞穩(wěn)馬氏體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在滲氮處理時可觸發(fā)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。

另一方面，激光沖擊噴丸（LSP）是一種表面改性工藝，利用高能脈沖激光束在目標材料表面產(chǎn)生沖擊波（見圖1c）。高能等離子體通過吸收元素的蒸發(fā)出現(xiàn)在表面。等離子體能量導(dǎo)致殘余應(yīng)力和高塑性應(yīng)變的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致表面晶粒細化。LSP由于其局部熱影響，在晶粒細化方面不如SP和UNSM等機械處理有效。LSP廣泛用于改善金屬的疲勞、磨損、微動疲勞和耐腐蝕性。據(jù)報道，使用LSP后，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處理也會對表面粗糙度產(chǎn)生不利影響。

上述三種技術(shù)均通過表面塑性變形誘導(dǎo)表面晶粒細化和殘余壓應(yīng)力；然而，它們的影響程度不同，并且隨著感興趣的材料而不同。

關(guān)于上述表面SPD技術(shù)在Inconel 718上的應(yīng)用研究很少，Inconel 718是一種在不同工業(yè)部門經(jīng)常使用的材料。本研究通過分析表面粗糙度、殘余應(yīng)力的分布和松弛以及CSP處理試樣與拋光試樣的疲勞壽命，研究了CSP處理的影響。結(jié)果表明，CSP可將高周疲勞壽命從2倍提高到20倍，具體取決于工藝參數(shù)。據(jù)報道，在施加4A和8 A的CSP工藝后，拋光試樣的Rt表面粗糙度從7.15μm增加到8.65μm和25.38μm。此外，在4A和8 A強度下，表面誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力分別為- 810 MPa和- 920 MPa，而拋光樣品的表面殘余應(yīng)力為- 90 MPa。

在本研究中，研究了三種SPD表面處理，即SP、UNSM和LSP對Inconel 718試樣的影響，并從機械性能方面進行了比較?？紤]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(tài)負載的兩種UNSM工藝和具有不同激光功率密度的兩種不同LSP工藝。處理后的試樣在微觀結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力分布及其在疲勞試樣中的松弛方面進行了表征。在特定應(yīng)力振幅下，比較了接收試樣（AR）和處理試樣的疲勞壽命。

在AM竣工材料的頂面和側(cè)面進行了軋制。如果選擇合適的參數(shù)，軋制也可以產(chǎn)生晶粒細化（見圖i和j），并在處理層中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；這些特征可以改善機械性能（見圖o和p），并降低表面粗糙度。

2.實驗

根據(jù)ASTM E466標準制備疲勞試樣，以研究AR和處理材料的軸向疲勞行為。圖2a顯示了通過體視學(xué)方法確定的平均晶粒尺寸約為40μm的AR材料的微觀結(jié)構(gòu)。使用圖2b中的Nomarski對比，可以觀察到由軋制引起的溶質(zhì)帶狀線。疲勞試樣的尺寸和應(yīng)用表面處理的考慮區(qū)域如圖2c所示。所選中心區(qū)域的所有四個側(cè)面都進行了噴丸處理。

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

3.結(jié)果和討論

3.1. 微觀結(jié)構(gòu)表征

不同表面處理后試樣的橫截面OM顯微圖如圖3所示。顯微鏡觀察表明，表面層的晶粒明顯細化。對于每一個過程，與底部所示的圖像相比，頂行圖像對應(yīng)于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?？偟膩碚f，考慮到所有系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 處理樣本的橫截面OM顯微照片：（a）SP，（c）UNSM和（c）LSP。與底行樣本相比，頂行圖像對應(yīng)于每個處理使用較低動能處理的樣本。

此外，通過FESEM對處理試樣的橫截面進行高倍放大的微觀結(jié)構(gòu)觀察。將生成的NS層從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，類似于通過基于SP和UNSM處理的材料。

為了獲得處理后試樣上表面的晶粒尺寸，根據(jù)晶粒細化程度，對試樣采用了兩種方法：體視學(xué)分析和XRD分析。CSP、LSP1和LSP2試樣經(jīng)過較低的動能處理，預(yù)計其表面晶粒細化程度較低。因此，對于這些樣本，頂部表面被輕輕拋光，去除約3μm的非常薄的一層，然后進行蝕刻以進行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30μm、35μm和26μm。對于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范圍方面最顯著的晶粒細化，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和處理后試樣的表面晶粒尺寸，(d) SP、UNSM和LSP表面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描繪了從頂面到芯材的AR和處理試樣的顯微硬度分布。結(jié)果表明，對于每種處理，較高的動能導(dǎo)致較高的表面顯微硬度。與CSP和LSP相比，UNSM和SSP處理在提高顯微硬度方面更有效。從UNSM2、SSP2、SSP1、UNSM1、LSP2、CSP和LSP1獲得的表面硬度改善估計分別約為44%、35%、27%、24%、18%、15%和9%。這些結(jié)果突出了較高動能的顯著效果，以及在SSP處理后UNSM的效率。

圖5 獲得了（a）顯微硬度剖面（b）壓縮殘余應(yīng)力分布（c）表面粗糙度參數(shù)和（d）900 MPa最大應(yīng)力下的疲勞壽命的結(jié)果。

圖5b顯示了從處理表面到材料深度的誘導(dǎo)壓縮殘余應(yīng)力分布。與其他應(yīng)用處理相比，UNSM產(chǎn)生了更高的壓縮殘余應(yīng)力。LSP2和LSP1分別比SSP2和SSP1產(chǎn)生更高的表面壓縮殘余應(yīng)力；CSP試樣的殘余應(yīng)力范圍在所有系列中最低。在深度為500 μm時，UNSM和SP工藝誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力均小于?50 MPa，而LSP工藝誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力約為?200 MPa。結(jié)果表明，UNSM處理可以顯著提高表面和深度壓縮殘余應(yīng)力場。

圖5c顯示了AR和處理試樣的表面粗糙度參數(shù)。AR試樣的Ra值約為0.85μm。CSP導(dǎo)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(yīng)用的處理都導(dǎo)致表面粗糙度增加，隨著過程動能的增加，這一點變得更加顯著。雖然SSP和UNSM導(dǎo)致表面粗糙度顯著增加，但LSP的表面粗糙化效果仍然有限。

所有提到的機械性能和參數(shù)，包括塑性變形層的深度、晶粒尺寸、顯微硬度、殘余壓應(yīng)力和表面粗糙度，對試樣疲勞行為的改變具有相對重要性。采用900 MPa的最大應(yīng)力水平，比較了不同表面處理條件下試樣的高周疲勞壽命。據(jù)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AR試樣的5.25、4.69、3.71、3.21、2.32、2.06和1.65倍。表面晶粒尺寸最小、變形層和NS層深度最高、硬度和壓縮殘余應(yīng)力最高、表面粗糙度不最高的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，但較低的表面粗糙度和較高的壓縮殘余應(yīng)力在900 MPa的最大應(yīng)力下導(dǎo)致較高的疲勞壽命。

為了更好地了解誘導(dǎo)壓縮殘余應(yīng)力對疲勞壽命改善的影響，根據(jù)獲得的平均疲勞壽命，研究了不同加載循環(huán)下的殘余應(yīng)力松弛。圖6a至f描繪了疲勞試樣在上述周期間隔內(nèi)的殘余壓應(yīng)力分布。殘余應(yīng)力松弛與循環(huán)次數(shù)之間存在直接關(guān)系。圖6g顯示了N=0.7nF下疲勞加載后的殘余應(yīng)力分布。可以看出，與其他系列相比，UNSM試樣在表面和深度上的殘余壓應(yīng)力都較高。UNSM系列中殘余應(yīng)力的更高穩(wěn)定性可能有助于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(huán)后疲勞試樣中殘余壓應(yīng)力的分布，（g） N=0.7 Nf時疲勞加載試樣殘余應(yīng)力分布的比較，（h）在不同循環(huán)間隔測量的表面壓縮殘余應(yīng)力的差異百分比（Nf是相應(yīng)系列的疲勞壽命）。

圖6h顯示了不同狀態(tài)下表面殘余應(yīng)力松弛的不同百分比。考慮到初始狀態(tài)和第一個循環(huán)時的疲勞試樣，發(fā)生了顯著的松弛（約20–35%）。然而，考慮到表面殘余應(yīng)力在0.5 Nf到0.7 Nf循環(huán)之間的差異百分比，觀察到約3–13%的殘余應(yīng)力松弛。與未經(jīng)疲勞試驗的試樣相比，約46–68%的誘導(dǎo)壓縮殘余應(yīng)力在0.7nF下松弛，如圖6h所示。

4.結(jié)論

在本研究中，采用不同的工藝參數(shù)，對Inconel 718試樣進行了基于嚴重塑性變形的各種表面處理，包括嚴重噴丸（SSP）、超聲波納米晶表面改性（UNSM）和激光沖擊噴丸（LSP）。研究了這些處理及其工藝參數(shù)對處理材料微觀結(jié)構(gòu)和機械性能的影響。結(jié)論總結(jié)如下：

?所有應(yīng)用的處理都有效地誘導(dǎo)了處理試樣表面的塑性變形。測定了最高動能處理的影響層平均深度，UNSM為160μm，SSP為110μm，LSP為45μm。UNSM和SSP在擴大嚴重塑性變形深度方面更有效。

?采用適當(dāng)參數(shù)的UNSM和SSP處理可產(chǎn)生較高的動能，顯著有助于表面晶粒細化至納米級。SSP和UNSM試樣的平均晶粒度分別為23.1 nm和21.95 nm

?對于動能最高的UNSM、SSP和LSP處理，表面顯微硬度分別提高了44%、35%和15%。

?就壓縮殘余應(yīng)力（高于1000 MPa）而言，UNSM是表面區(qū)域最有效的處理方法。LSP和SSP工藝在表面上顯示了可比較的數(shù)據(jù)。然而，考慮到壓縮殘余應(yīng)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400μm。

?關(guān)于受殘余壓應(yīng)力影響的層深度，發(fā)現(xiàn)LSP是最有效的表面處理方法，受影響的厚度為500μm。然而，在疲勞循環(huán)后，發(fā)現(xiàn)UNSM引起的殘余應(yīng)力在深度上也更穩(wěn)定。在UNSM2和SSP2的情況下，獲得了關(guān)于松弛后殘余應(yīng)力分布的最穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

?在UNSM、SSP和LSP處理后，當(dāng)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。這種趨勢可歸因于壓縮殘余應(yīng)力和表層晶粒細化。

?表面粗糙度的增加會限制疲勞抗力的提高?？梢钥紤]采用替代的二次后處理來降低粗糙度。通過數(shù)值模擬方法，可以以較低的成本優(yōu)化工藝參數(shù)，從而為表面晶粒細化、殘余壓應(yīng)力和表面質(zhì)量的優(yōu)化范圍選擇合適的工藝參數(shù)。

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