关于通过电脉冲辅助超声纳米晶表面改性技术强化钛合金的机理研究：工艺过程、微观结构及变形行为

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MACHINE TOOLS & MANUFACTURE》：Insights into the strengthening mechanisms of titanium alloy treated by electropulsing-assisted ultrasonic nanocrystal surface modification: Process, microstructure, and deformation behavior

本研究提出脉冲电流辅助超声纳米晶表面处理（EP-UNSM）技术，用于提升难变形钛合金Ti6Al4V的疲劳性能。通过微观结构表征和力学测试，发现EP-UNSM促使非基面位错和周期性位错胞形成，优化纳米梯度结构层，降低应力集中，增强残余应力稳定性，有效抑制循环载荷下的应变局部化。实验建立了多目标优化模型，为航空关键部件的抗疲劳制造提供理论支持。

　　在现代航空航天和推进系统中，钛合金因其卓越的比强度、耐腐蚀性和广泛的温度适应性，被广泛用作关键结构材料。例如，涡轮叶片和高压压缩机转子等部件均依赖钛合金的高性能特性。然而，这些材料在极端操作条件下容易受到表面应力集中现象的影响，从而导致疲劳裂纹的早期萌生，影响整个推进系统的可靠性。因此，优化表面微观结构成为提升钛合金关键部件疲劳性能的重要策略。表面严重塑性变形（SSPD）技术，如激光冲击强化（LSP）、表面机械研磨处理（SMAT）和超声纳米晶表面改性（UNSM），已被证明在改善材料表面性能方面具有显著优势。这些方法能够诱导表面纳米晶化，生成高幅值的残余压缩应力（CRS），并提升表面完整性，而不会改变基体材料的化学成分，从而有效增强处理后部件的疲劳强度。更重要的是，SSPD处理能够引入塑性应变的梯度，形成异质的梯度纳米结构（GNS）层，其中晶粒尺寸、相分布、位错密度和孪晶厚度等微观结构特征从表面向深度逐渐变化。这种异质结构在加载过程中会引发软硬区域之间的机械不相容性，导致多尺度应变分区和异变形诱导（HDI）强化，进而增强强度-延展性协同效应，超出简单混合规则的预测范围。

尽管SSPD技术在提升材料性能方面具有显著优势，但在加工难度较高的合金，如Ti6Al4V中，其效果受到限制。Ti6Al4V等难变形合金具有较高的固有变形阻力，使得传统的SSPD方法在处理时只能形成较浅的GNS层和低幅值的CRS，从而限制了整体机械性能的提升。当表面GNS层较浅或其纳米晶域仍处于亚稳态时，有限的循环延展性和较差的应变硬化能力会导致在大应变幅下出现位错堆积和严重的应变局部化现象，进而降低低周疲劳（LCF）性能。LCF通常指疲劳寿命在10^5次以下的阶段，本研究中采用的阈值为2×10^4次。类似的现象也出现在其他GNS金属和合金中，如镍基合金、铝合金和不锈钢。因此，研究如何在不牺牲表面完整性的情况下，实现更深层次且机械性能更稳定的GNS层，以及如何在提升表面纳米晶稳定性的同时避免晶粒粗化和残余应力松弛，成为当前材料科学领域的重要课题。

为了解决上述挑战，研究者们开始探索将可控能量场引入SSPD技术的方法，以进一步提升关键材料的塑性和表面强化效果。例如，Duan等人通过感应线圈加热辅助的超声表面滚压工艺（HUSPR）显著提高了加工效率，并在马氏体钢中形成了更深层的塑性变形层。类似地，温控激光冲击强化（WLSP）利用额外的能量场提升目标材料的成形能力。然而，这些方法通常依赖于单一能量场配置和复杂的设备，限制了其实际应用的广泛性和适应性。近年来，电脉冲辅助成形技术的发展为克服单场方法的局限性提供了新的途径。该技术通过电塑性效应，由脉冲电流诱导的变形能力提升，从而有效改善难变形材料的锻造性能。与等效温度下的热辅助成形相比，电脉冲提供的是精确控制的瞬态高能脉冲，能够更有效地降低流动应力并提升延展性。这种改善通常归因于电脉冲的非热效应，因为其在相同温度下诱导的变形能力更为显著。

同样，脉冲电流在表面强化过程中也展现出优化效果。它能够降低变形阻力，提高延伸率，并减少回弹现象。Zhang等人以及Deng等人将低频和高频脉冲电流与高应变率LSP相结合，成功在Ti6Al4V合金中形成了更深层的塑性变形层，并显著改善了其机械性能。这种方法不仅提升了LSP处理的效果，还有效抑制了传统热辅助成形中常见的晶粒粗化和残余应力松弛问题。更近期的研究表明，电脉冲能够通过协同的热和非热效应调节缺陷动力学，并稳定亚稳态微观结构。Ren等人还发现，电脉冲可以稳定射流冲击处理后的TC11合金微观结构，从而增强残余压缩应力（CRS）的循环稳定性，延长疲劳寿命。

尽管已有研究探讨了电脉冲辅助成形过程中微观结构的演变，但尚未完全阐明电脉冲在SSPD过程中如何影响HCP金属的变形行为，以及这些影响如何进一步改变材料的微观结构和机械性能。这一知识缺口阻碍了对表面强化机制的深入理解，并限制了其在实际应用中的推广。因此，本研究采用电脉冲辅助超声纳米晶表面改性（EP-UNSM）技术，以生产具有梯度纳米结构的Ti6Al4V合金，旨在提升表面完整性和疲劳性能。通过先进的表征技术，对EP-UNSM对晶粒细化、残余应力和织构演变的影响进行了系统分析。微观结构的观察揭示了控制宏观机械行为的机制，特别是疲劳强化过程。这一加工策略为从难变形材料制造关键部件提供了有前景的途径，并为满足先进航空航天和推进系统中的抗疲劳需求提供了理论和实践基础。

EP-UNSM技术结合了脉冲电流与传统UNSM的优势，通过在加工过程中引入电脉冲，显著提高了塑性变形的效率和深度。具体而言，电脉冲能够增强位错的运动能力，加速微观结构的演变，如再结晶、相变和析出等过程。最近的研究表明，脉冲电流能够有效调节位错的平均自由路径和偶极间距，从而降低流动应力。因此，当与高应变率超声振动结合时，电脉冲能够显著提升材料的塑性和表面强化效果。通过系统的微结构表征和机械测试，研究发现EP-UNSM能够激活显著的非基面位错，并形成波浪状滑移模式，从而提高塑性并产生更深层的梯度纳米结构层。相比之下，传统UNSM诱导的平面位错滑移模式仅导致有限的塑性变形，形成较浅的GNS层和较低的CRS幅值。EP-UNSM的这种微结构演变能够缓解晶界处的应力集中，增强残余压缩应力的稳定性，最终提升材料在所有应力范围内的疲劳抗性。

此外，研究还提出了一种动态电退火机制，该机制涉及亚稳态位错和纳米晶的协同重构，形成周期性位错胞结构。这种微结构的演化不仅提高了材料的强度和延展性，还增强了其在循环载荷下的稳定性。传统的SSPD方法往往在处理后形成尖锐的三晶界结构，这在一定程度上限制了其对疲劳性能的提升。而EP-UNSM的周期性位错胞结构能够更有效地分散应变，减少局部化现象，从而提升材料的疲劳寿命。这种动态电退火机制不仅适用于Ti6Al4V合金，也可能为其他难变形金属的表面强化提供新的思路。

在实际应用中，EP-UNSM技术的引入为解决传统SSPD方法在难变形材料中的局限性提供了有效手段。通过优化加工参数，如静态载荷、超声振幅、旋转速度和间距，研究团队能够系统地分析EP-UNSM对表面粗糙度、硬度、残余应力和变形微结构的影响。最终，基于这些研究结果，开发了一个多目标优化模型，以确定最佳的加工参数窗口。这种优化策略不仅提高了加工效率，还确保了表面完整性，为实现更高性能的钛合金部件提供了可靠的技术支持。

综上所述，EP-UNSM技术在提升难变形材料的表面性能方面展现出巨大潜力。它不仅能够有效克服传统SSPD方法的局限性，还通过动态电退火机制和周期性位错胞结构的形成，显著增强了材料的疲劳抗性。这一研究为开发新型抗疲劳制造策略提供了理论依据和实验验证，有助于推动先进航空航天和推进系统中关键部件的性能提升。未来，随着对电脉冲辅助表面强化机制的进一步研究，EP-UNSM技术有望在更多工程领域得到应用，为高性能材料的开发和制造提供新的解决方案。