《Surface and Coatings Technology》：Process mechanism of a continuous scanning electron beam–based selective surface melting and micro-melt polishing composite process for high-surface-finish gradient strengthening
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研究人员开发了一种针对30CrMo钢航空航天齿轮的连续扫描电子束（CSEB）选择性表面熔化与微熔抛光复合制造技术。目标熔化深度（约100?μm）源自临界次表面剪切应力分布。三维瞬态温度场模型优化了高功率工艺参数，二维热流耦合模型阐明了低功率抛光阶段马兰戈尼（M
研究人员开发了一种针对30CrMo钢航空航天齿轮的连续扫描电子束（CSEB）选择性表面熔化与微熔抛光复合制造技术。目标熔化深度（约100?μm）源自临界次表面剪切应力分布。三维瞬态温度场模型优化了高功率工艺参数，二维热流耦合模型阐明了低功率抛光阶段马兰戈尼（Marangoni）驱动的自平整机制。单次高功率（7?mA）扫描产生了三层梯度硬化结构，将粗糙度从4.14?μm降至1.67?μm，并获得607.6?HV?.?的峰值硬度。随后的低功率（3?mA）微熔抛光触发了多涡旋马兰戈尼驱动对流，进一步将粗糙度降至0.67?μm，并将微观组织演变为五区功能梯度结构。复合处理后，约60?μm深度处的显微硬度达到745.3?HV?.?（约为基体的3.2倍），形成了具有高硬度表层和韧性过渡区的梯度缓冲结构。这项工作展示了一种将定量深度靶向与马兰戈尼驱动微熔抛光相结合的策略，用于在航空航天齿轮钢上制造高表面光洁度梯度强化层。
**论文解读**
**研究背景与问题**
齿轮是航空航天传动系统的关键部件，其可靠性和稳定性对机械系统性能有决定性作用。30CrMo钢因其良好的塑性和淬透性被广泛用于航空航天齿轮，但其力学性能有限，导致疲劳抗力不足，尤其在应力集中区域。传统的机械和化学抛光技术通常以单向、低效方式提升性能，无法精确调控齿轮表面及次表面易失效区域。因此，面向特定服役区域的局部化梯度表面改性成为航空航天齿轮材料性能设计的核心。现有功能梯度材料的制备方法（如粉末冶金、等离子喷涂、离心铸造、气相沉积和激光增材制造）各有局限：粉末冶金难以制备复杂几何形状并保证密度均匀；气相沉积制备的梯度强化层较薄；激光熔覆可获得较厚强化层，但熔覆层与基体间的界面结合问题限制了其应用。相比之下，电子束（electron beam, EB）表面改性技术具有高能量密度、洁净真空环境和可控热影响区（heat-affected zone, HAZ）等优势，在钢材料表面强化中展现出巨大潜力。电子束处理可将表面显微硬度提升至原来的2.4倍，并显著降低粗糙度。单级激光和电子束抛光中，马兰戈尼（Marangoni）驱动对流已被确立为主要机制，多道次激光抛光策略通过重复浅层重熔有效降低粗糙度，但这些工艺采用强度相似的热循环进行迭代表面平整。在本研究的两阶段工艺中，对预硬化层进行重熔会生成多涡旋结构，这与单级模型中单一稳定涡旋的特征不同，决定了表面形貌和五区梯度微观组织。根据能量输入方式，电子束表面加工可分为脉冲电子束和连续扫描电子束（continuous scanning electron beam, CSEB）技术。脉冲电子束处理可形成细晶强化层，但受单脉冲能量和极短相互作用时间限制，强化层通常较薄。CSEB处理可通过持续能量输入实现更深熔化，但强烈的热输入往往恶化表面光洁度，需要后续机械磨削，这可能损伤强化层。因此，在航空航天应用中，平衡深层强化与高表面质量至关重要。为此，研究人员提出了一种针对30CrMo钢的CSEB选择性熔化与微熔抛光复合工艺。与单步处理不同，目标熔化深度（约100?μm）与齿轮的次表面剪切应力分布相关联。通过建立包含真实表面形貌的全耦合热-流-固模型，阐明马兰戈尼驱动的自平整机制，而高功率/低功率顺序热循环诱导出五区功能梯度结构。该论文发表在《Surface and Coatings Technology》。
**关键技术方法**（不超过250字）
研究人员采用连续扫描电子束（CSEB）系统对30CrMo钢（热轧块，50?mm×50?mm×50?mm，初始组织为铁素体和珠光体，初始显微硬度约233?HV?.?，初始表面粗糙度Ra为4.14?μm）进行表面改性。核心方法包括：1）建立三维瞬态温度场模型，优化高功率阶段的束流参数以实现目标熔化深度（~100?μm）；2）建立二维热流耦合模型，模拟低功率抛光阶段的温度场和流场，揭示马兰戈尼（Marangoni）驱动的自平整机制；3）通过扫描电子显微镜（SEM）、光学显微镜表征微观组织演变；4）采用显微硬度计（载荷0.1?kgf）测量截面显微硬度（HV?.?）；5）使用表面粗糙度仪测量表面粗糙度（Ra）。
**研究结果**
**小标题1：High-power electron beam melting simulation and experimental investigation（高功率电子束熔化模拟与实验研究）**
通过三维瞬态温度场模拟，研究人员发现探头点峰值温度对束流变化高度敏感。当有效束流为6.0?mA、6.5?mA、7.0?mA和7.5?mA时，对应峰值温度分别为1641.2?K、1730.3?K、1822.8?K和1906.5?K。选择7.0?mA束流（峰值温度1823?K最接近熔点1790?K），预测熔池深度接近100?μm。实验验证，单次高功率（7?mA）扫描后，表面形成三层梯度硬化结构，粗糙度从4.14?μm降至1.67?μm，获得峰值硬度607.6?HV?.?。
**小标题2：Optimization of process parameters for low-power electron beam polishing（低功率电子束抛光工艺参数优化）**
研究人员系统评估了二次电子束功率对表面形貌和粗糙度的影响。通过模拟表面粗糙度（Ra
sim）与实验测量值（Ra
exp）的对比，并计算相对误差（e = (Ra
sim ? Ra
exp)/Ra
exp），表明模型准确性高。在低功率（3?mA）微熔抛光阶段，多涡旋马兰戈尼（Marangoni）驱动对流被触发，粗糙度进一步降至0.67?μm，微观组织演变为五区功能梯度结构。复合处理后，约60?μm深度处的显微硬度达到745.3?HV?.?（约为基体的3.2倍），形成了高硬度表层与韧性过渡区组成的梯度缓冲结构。
**讨论与结论**
讨论部分指出，低功率抛光阶段产生的多涡旋流动模式与单级电子束抛光工艺中典型报道的单一稳定涡旋不同，这种差异源于预硬化层的存在。顺序热循环（先高功率熔化硬化，后低功率浅层重熔）导致五区结构的形成：最外层为熔化区，下方依次为细晶区、过渡区、热影响区和基体。马兰戈尼驱动的自平整机制是表面粗糙度降低的关键，而多涡旋对流加强了熔体分布均匀性。该复合工艺成功实现了定量深度靶向与高表面光洁度的统一。研究结论部分（原文节选）翻译如下：研究人员开发了一种将CSEB选择性表面熔化与微熔抛光相结合的复合制造工艺，用于30CrMo钢航空航天齿轮，其中目标熔化深度由临界次表面剪切应力分布定量确定。主要结论如下：（1）集成工艺优化与预测：建立了三维瞬态热模型，用于优化预定目标深度的电子束参数。（注：原文结论部分第二点因输入不完整未完全呈现，从正文可知涉及多涡旋马兰戈尼机制及五区梯度结构形成。）
