超声波冲击处理对激光定向沉积（Laser-DED）制造的CrCoNi合金残余应力及微观结构演变的影响：机制及其对腐蚀性能的影响

《Surface and Coatings Technology》：Ultrasonic impact treatment on residual stress and substructure evolution in laser-DED manufactured CrCoNi alloy: Mechanisms and implications for corrosion performance

超声冲击处理（UIT）可有效转化CrCoNi中熵合金激光增材制造（L-DED）涂层表面的有害残余拉应力（~400MPa）为压应力（~300MPa），抑制裂纹生成，同时提升表面硬度82.6%（230HV增至420HV），影响深度约600μm。UIT通过引发剧烈塑性变形，使低角度晶界占比从30.8%增至77.8%，抑制再结晶，有限元模拟与实验验证揭示了热力耦合作用机制，显著增强涂层耐蚀性（腐蚀电流密度降低、电位提升）。

　　本研究探讨了超声冲击处理（UIT）对激光定向能量沉积（L-DED）制备的CrCoNi中熵合金涂层的残余应力分布和微观结构演变的影响。通过结合有限元模拟与实验分析，研究发现UIT能够有效地将不利的表面拉应力（约400兆帕）转化为压应力（约300兆帕），从而降低由于L-DED过程中快速凝固导致的残余应力积累所引起的裂纹萌生倾向。此外，UIT显著提升了涂层的表面硬度，使其从230 HV提升至420 HV，影响深度约为600微米，这主要归因于UIT引起的位错密度增加和晶界强化效应。微观结构表征显示，UIT在沉积层中诱导了严重的塑性变形，使低角度晶界的比例从30.8%增加到77.8%，同时抑制了再结晶的发生。验证的数值模型揭示了L-DED过程中热-机械耦合与UIT激活的动态塑性变形机制之间的相互作用，为残余应力重新分布和微观结构细化提供了关键见解。进一步的电化学测试表明，UIT处理的涂层表现出增强的耐腐蚀性，体现在腐蚀电位的升高、腐蚀电流密度的降低以及局部点蚀的减少。这些机制为开发基于UIT辅助的L-DED工艺用于CrCoNi合金在极端环境下的高性能涂层提供了理论基础。

激光定向能量沉积（L-DED）作为一种先进的增材制造技术，因其出色的成形精度、高材料利用率和能够制造复杂结构的能力而在航空航天、生物医学和能源设备等领域得到了广泛应用。然而，L-DED工艺中快速熔化和冷却过程会导致沉积层中产生显著的残余拉应力。这种非均匀的应力分布容易引发涂层的开裂、变形甚至失效，从而限制了其在关键部件中的应用。因此，如何有效控制和缓解残余应力成为提升L-DED涂层性能的重要课题。

近年来，CrCoNi中熵合金（MEA）因其卓越的机械性能、耐腐蚀性和抗疲劳性而受到高熵合金研究领域的广泛关注。尽管CrCoNi中熵合金在L-DED工艺中展现出良好的成形性，但其在快速冷却过程中产生的残余应力仍然是一个亟待解决的问题。超声冲击处理（UIT）作为一种表面增强技术，通过高频机械冲击向材料表面引入压应力，从而显著改善材料的疲劳性能、耐磨性和耐腐蚀性。UIT在焊接接头和增材制造部件的残余应力控制方面已得到广泛应用，但其对CrCoNi中熵合金涂层的具体作用机制仍不明确，尤其是对微观结构演变、残余应力分布、机械性能和耐腐蚀性的影响需要系统性的实验与物理模拟研究。

已有研究表明，UIT在增材制造金属部件中的应用能够带来显著的性能提升。例如，Su等人对通过线弧增材制造（WAAM）制备的18Ni-300马氏钢进行了研究，发现无论是层间UIT（I-UIT）还是同步UIT（S-UIT）都能显著细化晶粒结构，形成厚度达230微米的纳米晶区，并通过改变晶粒生长方向降低了各向异性。同样，Diao等人在WAAM过程中应用UIT处理ER321不锈钢，结果表明UIT将粗大的柱状晶粒转变为细小的等轴晶粒，晶粒尺寸减少了约150%，同时促进了再结晶过程，降低了位错和织构密度。这些微观结构的改变显著提升了材料的屈服强度、抗拉强度、显微硬度和延展性。Wang等人对通过DED制造的304不锈钢进行了逐层UIT处理，结果显示晶粒细化、气孔减少以及梯度等轴晶结构的形成，使得材料的屈服强度和抗拉强度分别提升了约9%和6%，延展性也提高了超过6%。

除了机械性能的提升，UIT在提高材料耐腐蚀性方面也展现出良好的效果。针对铝合金、不锈钢和高熵合金涂层的研究表明，UIT引发的晶粒细化和表面压应力能够有效降低腐蚀电流密度，提高腐蚀电位，并增强钝化膜的稳定性。这些效应通常伴随着表面化学组成和微观结构的有利变化。然而，尽管已有诸多研究成果，CrCoNi中熵合金涂层在UIT处理后的腐蚀行为仍缺乏系统性的研究，尤其是其背后的作用机制尚未得到充分阐明。

数值模拟方法在研究各种增材制造过程和材料的热行为、熔池动力学、微观结构演变和机械性能方面已被广泛应用。例如，Zhou等人对激光金属沉积的不锈钢进行了UIT处理研究，发现该技术在改善微观结构和机械性能方面具有积极作用。Liu等人则开发了一个有限元模型，用于预测AlSi10Mg合金在激光熔覆过程中的熔池温度和微观结构。Zhou和Zhang提出了一种基于气体金属弧焊的耦合模型，能够捕捉复杂熔池动力学中的热和质量传递现象。在定向能量沉积过程中，Kiran和Hodek引入了一种热-机械模型，使得对大型部件的高效模拟成为可能，同时能够预测温度场和残余应力。这些研究表明，数值模拟在理解复杂沉积条件下热传导、相变和应力分布方面具有重要价值。然而，尽管已有诸多研究，目前的模型仍然存在显著的不足：大多数现有模型并未针对通过L-DED工艺制备的CrCoNi中熵合金涂层进行专门研究，特别是在UIT引起的应力重新分布与微观结构演变之间的耦合机制方面仍缺乏深入探讨。

本研究旨在通过引入UIT技术，解决CrCoNi中熵合金涂层在L-DED过程中产生的残余应力问题。研究结合了有限元数值模拟与实验验证，系统地分析了UIT对涂层残余应力分布和微观结构演变的影响。通过微结构表征和机械性能测试，进一步揭示了UIT诱导的晶粒细化机制以及位错强化效应，特别关注了取向梯度和低角度晶界等次结构演变。这些机制被用于阐明其对涂层耐腐蚀性能提升的贡献。研究结果表明，UIT能够有效改善涂层的残余应力分布和微观结构，从而显著提升其机械性能和耐腐蚀能力。这些发现不仅为理解UIT在L-DED过程中的作用提供了新的视角，也为开发高性能的CrCoNi合金涂层提供了理论支持和实践指导。