超声冲击与水射流协同调控7075铝合金残余应力及微观结构的预测模型研究

为解决多工艺复合表面改性中残余应力预测难题，山东科研团队通过理论建模与ABAQUS仿真相结合，揭示了超声冲击(UIT)与水射流(WJ)协同作用下7075铝合金残余应力演变规律。研究发现：超声频率/振幅与射流压力分别正向调控表面残余压应力，改性后材料形成6-11 nm无析出带及η/η'强化相，为航空航天关键部件性能优化提供新策略。

　　

在航空航天领域，7075铝合金因其优异的比强度和加工性能成为关键结构材料，但复杂服役环境导致的疲劳裂纹和应力腐蚀问题始终制约其应用。传统单一表面强化技术如超声冲击处理(UIT)虽能改善表面性能，但对复杂几何构件适应性差；水射流(WJ)改性虽可实现深层次强化，但参数优化缺乏理论指导。更棘手的是，当两种工艺复合使用时，多参数耦合作用下的残余应力演变机制尚不明确，这成为制约高性能铝合金开发的"卡脖子"难题。

针对这一挑战，山东某研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表创新成果。研究人员构建了基于Hertz接触理论和弹塑性力学的预测模型，结合ABAQUS有限元仿真与实验验证，首次量化揭示了UIT-WJ复合改性中残余应力的形成机制。关键技术包括：采用控制变量法设计不同超声频率(15-25 kHz)、振幅(12-25 μm)和射流压力(100-300 MPa)的参数组合；通过X射线衍射测量残余应力分布；借助透射电镜(TEM)分析微观结构演变。

Phase One: UIT表面改性
研究发现超声频率和振幅通过影响塑性变形深度直接调控残余应力场。当频率从15 kHz提升至25 kHz时，表面残余压应力增加23%，这是由于高频振动促进位错增殖；振幅增大则使塑性变形层深度扩展至150 μm，形成梯度纳米晶结构。

Model Validation
通过对比12组参数组合的预测值与实测数据，模型误差控制在10%以内。特别在200 MPa射流压力下，预测的残余应力分布曲线与实验结果的相关系数达0.93。

Residual Stress Analysis
复合改性后材料呈现典型三区结构：表层(0-50 μm)为-350 MPa高残余压应力区，中层(50-200 μm)为应力过渡区，深层(>200 μm)逐渐趋近于零。WJ处理可使UIT形成的残余压应力再提升15%-20%，这归因于水锤效应产生的二次塑性变形。

微观结构演变
TEM观测显示改性后组织包含球形GP区(Gunier-Preston zone)、棒状η(MgZn₂
)相和针状η'相，无析出带宽度控制在6-11 nm。这种多尺度析出相分布与梯度纳米结构协同作用，使材料疲劳寿命提升3倍。

该研究的重要意义在于：建立的预测模型首次实现复合改性工艺的数字化设计，为航空航天复杂构件性能调控提供理论工具；揭示的"频率-振幅-压力"协同调控规律，指导开发出残余应力达-400 MPa的优化工艺；提出的多尺度组织调控策略，为高强铝合金开发开辟新途径。正如讨论部分指出，该模型框架可扩展至其他金属材料的复合表面工程，对推动《中国制造2025》关键材料研发具有战略价值。