通过结合激光冲击强化和化学机械抛光的双步骤表面处理方法，提高镍基超级合金的耐磨性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Enhancing Wear Performance of Nickel-Based Superalloys through a Dual-Step Surface Treatment Approach combined Laser Shock Peening and Chemical Mechanical Polishing

　　托小辉|尹阳|梁昭龙|周向杰|方多勋|陈雷|千林茂
中国西南交通大学机械工程学院轨道交通车辆系统国家重点实验室摩擦学研究所，成都610031

摘要：在高端制造业中，基于镍的单晶超合金部件经常面临严重的磨损条件，这对耐磨性提出了严格的要求。本文表明，虽然激光冲击强化能够增强金属表面，但将其与化学机械抛光结合使用对于显著提高耐磨性至关重要。抛光后的表面具有较低的粗糙度，保留了强化层，并消除了强化过程中产生的缺陷。这种无缺陷的表面配置降低了实际接触应力，减少了氧化磨损，并增强了界面稳定性，从而由于强化机械性能和优化表面形貌的协同作用，耐磨性提高了约50%。所提出的方法为在极端使用条件下运行的下一代高性能部件的表面完整性优化建立了一个新范例。

1. 引言
在高端设备中，包括航空发动机[1]、[2]、[3]，由基于镍的单晶（NBSC）超合金制成的关键部件在长时间的高负荷、高温和复杂的摩擦条件下运行。这些因素使它们容易因磨损和循环载荷而性能下降[4]、[5]。应用热处理[6]、[7]或表面强化技术[8]、[9]、[10]可以显著提高这类部件的耐磨性，从而有效减少多重磨损机制下的材料损伤。激光冲击强化（LSP）作为一种广泛使用的表面强化技术[11]、[12]、[13]，通过精确修改其近表面微观结构和残余应力分布显著提高NBSC超合金的表面硬度。然而，这一过程所需的高能冲击波虽然增强了表面性能，但也往往会增加表面粗糙度并引入微裂纹等缺陷。在高温和循环载荷条件下，这些缺陷可能成为裂纹的起始点[14]、[15]、[16]，从而影响部件的可靠性。因此，进一步提高NBSC超合金整体性能的关键挑战在于在保持LSP提供的高硬度益处的同时，有效消除或减轻表面缺陷。

表面强化技术引起了研究人员的广泛关注。常用的方法包括超声波表面滚压[17]、LSP[18]、[19]、[20]、FLSP[21]、超声波喷丸（USP）[22]和传统喷丸（SP）[23]等。Amrinder S. Gill等人[24]报告称，不使用保护涂层的激光冲击强化会使材料受到机械和热负荷的共同作用，导致表面熔化和重新凝固，以及由于激光诱导的冲击波引起的变形，最终形成不均匀的再铸层和表面粗糙度的增加。Yao等人[25]观察到，当SP作为最终处理步骤时，冲击和挤压作用会在表面材料中引起显著的塑性变形，导致凹痕分布不均，表面粗糙度从Ra 0.49 μm增加到Ra 2.25 μm。Hassani-Gangaraj等人[26]报告称，喷丸导致的高表面粗糙度可能促进试样表面疲劳裂纹的起始。Zha等人[27]发现，重复的LSP处理会导致硬质合金表面层过度硬化，这会降低机械性能并促进裂纹扩展。Chaves等人[28]强调，表面精加工工艺可以减轻粗糙度并延缓裂纹增长。因此，后强化处理已成为增材制造中的重要组成部分，用于提高制造部件的机械性能和表面质量。

与传统的机械加工相比，化学机械抛光（CMP）是一种依赖于化学腐蚀和机械磨损协同作用的材料去除工艺[29]、[30]。Xu等人[31]通过优化CMP工艺参数显著提高了晶圆表面的加工效率和质量，实现了单晶蓝宝石的高效精确加工。Kubota等人[32]在机械抛光后使用CMP作为精加工工艺，这种两步抛光方法高效生产了高精度的金刚石表面。基于CMP能够实现低于Ra 1纳米的表面粗糙度的能力，Zhu等人[33]通过理论分析表明，机械压痕和磨料划痕会在金刚石表面引入原子缺陷和位错，从而促进CMP抛光过程中的氧化剂反应。Xia等人[34]使用了一种环保的CMP抛光溶液和优化配方来抛光NiP涂层表面，实现了低于0.3纳米的表面粗糙度。在这种技术中，化学软化的表面层被机械去除，以实现高质量的表面[35]、[36]、[37]、[38]。目前，CMP已广泛用于在多种材料（如Ti-6Al-4V[39]、光学玻璃[40]、蓝宝石[41]和轴承钢[42]）上生产超光滑且损伤低的表面。

为了克服与LSP相关的高表面粗糙度和缺陷形成的挑战，本研究引入了一种结合LSP和CMP的综合两步表面处理方法。该过程首先通过LSP在NBSC超合金中产生高幅度的残余压缩应力和加工硬化表面层。随后，应用CMP有效地消除LSP引起的表面粗糙度、再铸层和微裂纹。实验结果证实，这种混合技术不仅保留了LSP处理层的高硬度和有利的残余应力分布，还显著提高了表面完整性，从而增强了NBSC超合金部件的耐磨性。

2. 材料与方法
2.1 材料
本研究中使用的基于镍的超合金的名义化学成分列于表1中。样品通过线切割电火花加工（EDM）切成10 mm × 10 mm × 5 mm的块状，然后用1000目的砂纸进行磨削。之后，所有样品都在无水乙醇中进行了超声波清洗，以确保后续处理步骤的表面状态良好。

表1. NBSC超合金的化学成分（wt%）：
元素：Cr、Co、Mo、W、Al、Ta、Re、C、Nb、Hf、Ni
含量：%：4.5、8.5、28、5.2、7、20.0、0、40.5、0.1、2

2.2 LSP工艺
LSP实验是在商用激光冲击强化系统（西安泰瑞达光电技术有限公司）上进行的。LSP装置的示意图如图1(a)所示，相应的激光扫描轨迹由图1(c)中的橙色虚线表示。为了减轻热效应对样品的影响，使用了黑色胶带作为烧蚀介质。具体实验参数见表2。

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图1. 结合(a) LSP和(b) CMP的NBSC表面处理示意图。(c) (a)中激光扫描路径的放大视图。(d) 摩擦和磨损试验的示意图。

表2. LSP实验参数：
脉冲能量：7 J
激光波长：1064 nm
脉冲宽度：～20 ns
脉冲频率：1 Hz
光束直径：3 mm
功率密度：4.95 Gw/cm2
重叠比率：50%
冲击时间：12.3

2.3 CMP工艺
化学机械抛光（CMP）是在UNIPOL-1200S精密抛光系统（沈阳科劲汽车仪器有限公司，中国）上进行的，如图1(b)所示。使用了直径为50.8 mm的抛光垫。样品固定在直径为?80 × 35 mm的铝制夹具中。抛光过程中保持恒定压力3.5 kg（相当于约6.2 MPa），抛光盘以60 rpm的速度旋转。抛光悬浮液以100 mL/min的流量连续供给。抛光浆液的详细参数见表3。

表3. CMP实验参数：
氧化剂：H?O?
pH值：5
磨料：SiO?
复合剂：C?H?O

2.4 磨损测试和材料表征
宏观尺度的摩擦和磨损评估是在线性往复球盘摩擦计（UMT TriboLab，布鲁克公司，美国）上进行的。测试参数包括 stroke长度2 mm、正常载荷5–10 N、往复频率5–15 Hz（相当于线性滑动速度5–15 mm/s）和赫兹接触压力1.12-1.26 MPa。使用直径为6 mm的氮化硅（Si?N?）球作为对偶体。每次测试在室温（35 ± 3%相对湿度）条件下进行30分钟。所有测试重复三次以确保统计再现性。

经过LSP和CMP两步处理的表面称为DS处理表面。使用三维白光干涉仪（WLI；Chotest Superview W1，Chotest Technology Inc., 中国）和光学显微镜（Axio Lab. A1，蔡司，德国）表征了磨损疤痕的表面粗糙度和横截面轮廓。进一步使用场发射扫描电子显微镜（SEM；JSM7800F，日本JEOL）结合能量分散谱仪（EDS；X-Max 80，Oxford Instruments，英国）进行了微观结构和成分表征。使用硬度计（ZD.HVZHT-30）在10 kg的载荷下、15秒的停留时间下比较了LSP处理、DS处理和原始样品的表面硬度。不同表面的SEM图像使用ImageJ软件进行了二值化处理。识别并量化了超过设定阈值的缺陷（长度 > 1 μm），如微裂纹和凹坑。然后计算了这些典型缺陷的数密度，以比较不同表面的单位面积缺陷密度。通过X射线衍射（XRD；D8 Advance，布鲁克，美国）分析了晶体取向和残余应力，使用Cu Kα辐射和40 kV、40 mA的条件。我们使用X射线衍射仪并应用sin2ψ方法测量了（100）晶面家族的衍射角随倾斜角ψ的变化。表面残余应力根据以下公式计算：

[公式处理错误]
其中[公式处理错误]是衍射角，K是与材料、晶面和X射线波长相关的应力常数，σ是残余应力。

3. 结果
图2比较了NBSC超合金在三种条件下的表面形态：1）原始状态，2）激光冲击强化（LSP）后，3）结合LSP和化学机械抛光（CMP）处理（表示为DS）后。原始表面（图2a）表现出高度不规则、多变的形态，具有强烈的随机波动且无明显周期性，初始粗糙度为Sa = 785 ± 52 nm和Sq = 1048 ± 62 nm。LSP处理（图2b）产生了粗糙的表面地形，具有深的山谷和突出的峰，粗糙度增加了约77%（Sa = 1395.5 ± 7.1 nm，Sq = 1683.6 ± 80.3 nm）。相比之下，DS处理（图2c）产生了光滑平坦的表面，与LSP处理状态相比粗糙度降低了约83%（Sa = 237 ± 33 nm，Sq = 294 ± 42 nm）。这些粗糙度值的定量比较总结在图2d中。

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图2. 不同处理条件下的表面形态特征。(a-c) 原始表面、LSP处理表面和DS处理（LSP+CMP）表面的3D图像及其相应的横截面轮廓；(d) 表面粗糙度参数（Sa和Sq）的统计总结。

使用球盘摩擦试验（图1d中的示意图）评估了三种制备表面的摩擦性能。图3显示了在相同条件下的摩擦行为。摩擦系数的演变（图3a）表明，所有表面在初期都有明显的上升，大约200秒后稳定下来。在随后的稳态下，原始表面的摩擦略有下降，而LSP处理表面显示出逐渐增加的摩擦。相比之下，DS处理表面保持了最稳定的摩擦系数。这种优越的稳定性进一步通过摩擦环的演变得到了验证。与原始表面和LSP处理表面不同，其摩擦环从不规则的矩形变为拉长的形状（图3b和c），DS处理表面在整个测试过程中保持规则的椭圆形循环（图3d），反映了稳定且一致的摩擦行为。

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图3. 摩擦特性。(a) 整个磨损过程中的摩擦系数；(b-c) 分别显示了原始表面、LSP处理表面和DS处理表面的Fx-D-N图。

图4比较了这些样品在滑动摩擦氮化硅球后的表面磨损情况。磨损疤痕的三维形态（图4c）及其在所有三个表面上的相应横截面轮廓（图4a）表明，DS处理表面的磨损疤痕最浅最窄，表明结合LSP和CMP处理后耐磨性显著提高。这种定量改进在图4b中得到了证实。与原始表面相比，LSP处理表面的磨损体积增加了约16%。相比之下，DS处理表面的磨损体积减少了约50%。不同表面在5 N的负载和10 Hz的滑动速度下的磨损测试结果。(a) 三维形态及其对应的截面轮廓；(b) 磨损体积的统计分析。为了进一步评估DS处理表面的耐磨性，我们在其他测试条件不变的情况下增加了负载，并将摩擦性能与原始表面进行了比较。图5a和图5b分别比较了在8 N和10 N负载下两种表面的磨损痕迹的形态及其对应的截面轮廓。截面轮廓清楚地显示出，DS处理表面在两种负载下都产生了更浅、更窄的磨损痕迹。图5c总结了在不同负载条件下的磨损体积。DS处理表面在8 N负载下的磨损体积减少了约22.2%，在10 N负载下减少了约27%，证实了表面改性的有效性。图12d显示了氧气、镍和铝的含量。原始表面（图12a）的磨损痕迹中氧气含量低而镍含量高，这证实了粘着磨损和磨料磨损的主导作用。对LSP处理表面的元素分析显示，其氧气含量为14.51 wt%，是原始表面的两倍，同时镍含量显著降低。严重的氧化作用产生了脆而硬的氧化物，在摩擦过程中容易脱落，形成磨料颗粒。这些颗粒加剧了二次磨损，启动了一个“氧化–剥落–再氧化”的自我循环。DS处理表面的氧气含量介于其他两种表面之间。图12c中的EDS图显示，该表面的磨损痕迹具有均匀的元素分布、良好的微观结构以及受控制的氧化程度。

4.6. LSP与CMP结合提高耐磨性的机制
图13总结了氮化硅（Si3N4）球体在NBSC表面上滑动时的磨损机制，这取决于表面处理方式。原始NBSC表面具有相对较高的粗糙度（图2a），存在固有的加工痕迹和凹凸缺陷。其硬度和残余应力均不理想（图10）。在正常载荷下，球体穿透较软的表面，在滑动过程中产生明显的划痕和沟槽，导致严重的磨料磨损并伴随大量塑性变形（图14a）。LSP处理表面的磨损机制如图14b所示。该表面具有极高的粗糙度（图2b），特征是许多高而脆的凸点。这些凸点在摩擦过程中容易断裂和脱落，产生大量硬质碎屑。表面微裂纹加剧了严重的氧化磨损，最终导致大规模剥落。一旦硬化层脱落，球体直接与较软的基材接触，极大地加速了磨损。尽管表面硬度有所提高（图10），但由于高粗糙度和脆性，耐磨性最差（图4），表现为由脆性断裂主导的强烈且不稳定的磨损。DS处理表面的磨损行为如图14c所示。这种两步处理工艺使表面保持了高硬度（图10）和优异的光滑度（图2c），同时避免了微裂纹等缺陷。表面粗糙度的降低（图7）使得荷载在更多的凸点上更均匀分布，显著降低了接触应力（图8）。摩擦过程保持稳定（图3），高表面硬度有效抵抗了塑性犁耕作用，促进了温和的粘着磨损。

5. 结论
本研究考察了激光冲击强化（LSP）单独应用以及LSP与化学机械抛光相结合的两步处理在镍基单晶超级合金上的效果。组合工艺获得了最佳的表面质量和耐磨性。主要结果总结如下：
1. 实验结果表明，激光冲击强化与化学机械抛光的结合表现出优异的耐磨性，磨损性能提高了约50%，摩擦行为更为稳定。这种提升归因于接触应力降低、表面缺陷减少以及强化层的保留，共同提高了界面稳定性。
2. 虽然激光冲击强化提高了金属表面的硬度，但它也会引入对磨损性能不利的缺陷。高能量冲击波会产生微裂纹、凹坑和凸点，增加表面粗糙度。这些缺陷作为应力集中点，提高了接触应力，促进了裂纹的产生、材料剥落和氧化磨损。磨损表面的脆性氧化物和块状碎屑导致了不稳定的摩擦行为，从而加速了磨损。
3. 随后的化学机械抛光有效去除了强化过程中产生的缺陷，显著降低了粗糙度。缺陷的消除降低了接触应力，促进了荷载的均匀分布，并减少了应力集中，同时保持了有益的机械性能。最终得到的无缺陷表面表现出稳定的摩擦性能、温和的粘着-磨料磨损以及受控制的氧化现象，同时提高了耐用性。

作者贡献：
涂小红：调查、数据管理、正式分析、初稿撰写、审阅与编辑。
尹阳：调查、撰写-审阅。
梁朝龙：调查。
周向杰：调查。
方多勋：调查。
陈磊：概念化、监督、资金获取、审阅与编辑、项目管理。
钱林茂：验证、资金获取。