低温辅助磨料水射流加工Ti-6Al-4V合金的热-力学优化与基于人工智能的表面完整性预测

本研究针对Ti-6Al-4V合金在传统磨料水射流加工(AWJM)中存在的瞬态高温导致的微观结构损伤和热不稳定问题，创新性地开发了液氮深冷辅助磨料水射流加工(CAAWJM)技术。研究通过热-力学耦合调控，实现了峰值温度降低42%，α-Ti晶粒尺寸减小58%，高角度晶界比例提升至60.2%，显微硬度提高42%，并开发了Bootstrap+TabPFN深度学习模型(R2=0.955)精准预测表面完整性。该技术为航空航天和生物医学领域高完整性零部件制造提供了新策略。

　　

钛合金Ti-6Al-4V因其优异的生物相容性、高比强度和耐腐蚀性，被广泛应用于骨科植入物，如人工关节、骨钉和椎间融合器等。然而，传统加工技术如铣削、磨削、电火花加工以及激光切割常常会引入表面缺陷，包括微裂纹、残余应力、热影响区(HAZ)和氧化钛(TiO₂)层，这些缺陷会损害表面完整性，对细胞附着、骨整合能力及植入物的长期稳定性产生负面影响。

近年来，为了提升Ti-6Al-4V合金植入物的表面完整性，研究人员探索了微弧氧化(MAO)、3D打印和高性能多能场微尺度加工等技术。尽管这些方法各具优势，但仍在几何加工能力、表面完整性和经济效率之间存在显著权衡。特别是传统的磨料水射流加工(AWJM)虽属于冷加工过程，无刀具磨损，且能加工复杂形状，但其固有的瞬态热效应会导致微观结构改变（晶粒粗化、相不稳定性）和氧化问题，加工过程中产生的瞬态温度甚至可超过3500 K。

为解决这些挑战，重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室的研究团队在《Sustainable Materials and Technologies》上发表了一项创新研究，开发了一种低温辅助磨料水射流加工(CAAWJM)技术。该技术通过液氮(LN₂)深冷主动调控热-力学耦合效应，旨在显著提升Ti-6Al-4V合金的表面完整性，并首次应用Bootstrap与Tabular Prior-data Fitted Network (TabPFN)相结合的人工智能框架来预测加工结果。

研究团队运用了多项关键技术方法：首先，搭建了集成液氮喷射系统的CAAWJM实验平台，关键参数包括水射流压力(200 MPa)、LN₂喷射压力(0.03–0.09 MPa)和喷嘴角度(60°)等。其次，采用六色高温计实时监测加工过程中的瞬态温度变化，精确捕捉热效应。再者，综合利用扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)进行了深入的微观结构表征和相分析。此外，通过原子力显微镜(AFM)和白光干涉三维轮廓仪(WLI-3DP)评估了表面形貌和粗糙度，并使用维氏硬度计测试了显微硬度。最后，针对小样本数据挑战，创新性地开发了Bootstrap数据增强与TabPFN深度学习模型相结合的预测框架。

3.1. 热效应调控

通过实时热监测发现，LN₂的引入使峰值温度从传统AWJM的3532.54 K显著降低至2049.89 K，降幅达42%，平均温度也从1903.05 K降至1702.78 K。研究人员建立了微尺度传热模型，分析了射流冲击过程中的强制对流、热辐射、内部热传导和氧化行为等多种传热机制。空间分析表明，热影响区被限制在200 μm半径范围内，且在边界50 μm内存在极陡的热梯度，表明热效应高度局部化。LN₂不仅有效降低了初始温度，还大幅加速了冷却速率，热源在1 μs内冷却至约600 K，并在5 μs内完全恢复至环境温度。

3.2. 晶体学演化

微观结构分析表明，CAAWJM显著促进了晶粒细化。在AWJM中，样品呈现出双尺寸晶粒结构，粗大晶粒被超细晶粒包围，这是热-机械耦合效应 induced 的动态再结晶(DRX)和晶粒粗化所致。而在热影响区，可观察到无序生长和粗化的大晶粒。引入液氮后，晶粒尺寸显著减小，形态更均匀，取向变化减小。EBSD分析显示，CAAWJM样品中高角度晶界(HAGB)的比例从AWJM的43.3%大幅提升至57.8%（射流冲击区）和60.2%（热影响区）。统计结果表明，CAAWJM产生了显著细化的微观结构，α-Ti相尺寸集中在0–15 μm（AWJM为5–35 μm），β-Ti相尺寸限制在0–2 μm（AWJM为1–5 μm）。在射流冲击区，α-Ti相的平均晶粒尺寸减小了约58%，在热影响区(HAZ)减小了约66%。β-Ti相在射流冲击区的平均晶粒尺寸减小了约40%，在HAZ减小了约30%。

3.3. 力学性能

显微硬度测试表明，CAAWJM试样的力学性能得到显著改善。其在20 μm深度处的表面硬度达到419.88 HV，比基体材料性能提高了6%。这与AWJM试样在60 μm深度处硬度显著降低42%（211.04 HV）形成鲜明对比。低温工艺将这种硬度降低有效地限制在同等深度下的仅6%，证明了其在保持材料完整性方面的卓越能力。力学性能的显著改善主要归因于CAAWJM induced 的微观结构改变，包括晶粒细化（遵循Hall-Petch关系）、高角度晶界比例增加（阻碍位错运动）以及稳定的β相颗粒在α基体中的弥散分布（产生弥散强化效应）。

3.4. 表面完整性

AFM和WLI-3DP分析显示，CAAWJM加工表面的粗糙度显著降低。在最高LN₂压力(0.09 MPa)和喷嘴直径(3 mm)的参数组合下，获得了最低的表面粗糙度，切向表面约为0.70 μm，受影响表面约为1.93 μm。这种组合最大化了LN₂的流速和覆盖面积，在射流冲击区创造了更强烈、更均匀的低温环境。增强的冷却效果有效抑制了磨料颗粒和工件材料的热软化，使磨料保持锋利的时间更长，工件材料表现出更高的脆性。这使得材料去除机制从AWJM中主导的犁耕和塑性变形转变为CAAWJM中主导的微切削和脆性断裂，从而产生更浅的沟槽和更光滑的整体表面形貌。XPS分析证实，CAAWJM下TiO₂含量从88.9%大幅降低至46.42%，表明氧化损伤得到实质性抑制。

研究的讨论部分深入分析了CAAWJM的热调控机制和相变行为。研究表明，AWJM过程中的瞬态热暴露将材料驱入高温β相区，随后的冷却允许有限的元素扩散，促进了β相部分转变为平衡α相，这通常导致粗化和无序的α相微观结构。而CAAWJM通过深冷淬火改变了这一演化过程。LN₂注入 drastically 降低了峰值温度并加剧了冷却速率，有效抑制了扩散控制的相变。这种动力学抑制“锁定”了富钒的β相，抑制了其分解为α相，因此，在CAAWJM样品中观察到显著更高的残余β相比例——比AWJM样品高28%。Kernel Average Misorientation (KAM)分析表明，CAAWJM引入了更高的位错密度和储存应变能，这直接导致了观察到的加工硬化（Hall-Petch强化），并与微观结构细化内在关联。

综上所述，这项研究证实CAAWJM是一种变革性策略，可用于在Ti-6Al-4V合金上获得高完整性表面。液氮冷却的协同整合有效抑制了有害的热效应，促进了晶粒细化和β相稳定，并增强了机械性能。所开发的Bootstrap-TabPFN深度学习模型为精确的表面预测和快速的工艺优化提供了一个强大的框架。这些进步确立了CAAWJM作为航空航天和生物医学行业关键部件制造的前沿技术，特别是对于疲劳抗力发动机零件和长期植入式设备，其中卓越的表面质量、疲劳性能和耐腐蚀性至关重要。该研究不仅为高性能钛合金零件的加工提供了新途径，其结合人工智能的工艺优化方法也为先进制造领域的小样本数据挑战提供了创新解决方案。