将超声波技术引入激光辅助加工：微观结构与机械性能研究

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Introducing ultrasonic into laser-assisted machining: Microstructure and mechanical performance

　　崔飞杰|张航|齐晓科|侯澈|唐晓伟|严荣|彭芳宇
华中科技大学机械科学与工程学院，武汉430074，中国

**摘要**
尽管激光辅助加工（LAM）技术在SiCp/Al复合材料的加工中得到了广泛研究，但去除表面下的残余热影响区（HAZ）的问题仍未得到有效解决。本文旨在将超声振动引入LAM工艺中，提出了一种恢复材料表面下机械性能的新策略。通过一系列激光-超声振动辅助加工（LUVAM）实验，结合多尺度表征实验和分子动力学（MD）模拟，深入探讨了材料表面下微观结构与机械性能之间的内在机制。EBSD实验和MD模拟表明，超声振动的引入增强了材料表面下的塑性变形，促进了铝颗粒的变形和破碎，从而实现了晶粒细化及大量低角度晶界（LAGBs）的形成。超声振动还导致加工表面上的SiC颗粒紧密堆积。随着激光与刀具距离的增加，材料去除温度的降低减弱了工件的软化程度，限制了超声振动重构表面下微观结构的能力。此外，TEM实验显示，铝颗粒的严重变形促进了位错的增殖和重排，形成了亚晶界。纳米压痕实验结果证实，超声振动引起的微观结构演变显著提高了材料表面下的机械性能，有效缓解了残余HAZ的不利影响。加工表面附近的平均硬度从1.65 GPa提高到了1.96 GPa，提升了18.8%。总之，本研究扩展了对SiCp/Al复合材料LUVAM过程中表面下微观结构演变机制的理解，并为难加工材料的高性能加工提供了一种创新技术。

**引言**
作为典型的铝基复合材料，SiCp/Al复合材料具有高比模量、优异的尺寸稳定性和导热性，在卫星导航、先进光学和航空航天等关键领域得到广泛应用[[1], [2], [3], [4]]。虽然SiC颗粒的引入提高了材料的强度，但也降低了其可加工性，这对SiCp/Al复合材料的高效低损伤加工带来了巨大挑战[[5], [6], [7]]。传统的加工方法已无法满足日益增长的工业需求，因为它们会导致严重的刀具磨损和表面缺陷。近年来，能量场辅助加工技术（如激光辅助加工LAM[[8], [9], [10], [11]]和超声振动辅助加工UVAM[[12], [13], [14], [15]]）的出现部分改善了材料表面质量。此外，加工后表面下微观结构的变化对材料的宏观机械性能至关重要，进而影响关键部件的使用性能[[16], [17], [18], [19]]。

LAM技术已被证明能够显著提高难加工材料的加工性能，激光预热有助于降低切削力并改善表面质量[[20], [21], [22], [23], [24]]。He等人[[25]]对TC17钛合金进行了LAM实验和分子动力学（MD）模拟，发现激光加热显著降低了切削力，而激光退火效应减少了表面下损伤的深度。Yan等人[[26]]通过分析建模和实验发现，LAM有效减少了SiCp/Al复合材料的表面下损伤深度。Li等人[[27]]基于原位激光辅助单点金刚石车削实验观察到，LAM有助于减少位错和表面下晶体缺陷。Kang等人[[28]]通过实验和模拟研究了脉冲激光对SiCp/Al复合材料表面质量的影响，结果表明脉冲激光促进了铝基体的塑性变形并减少了SiC颗粒的断裂。然而，LAM不可避免地会在工件中产生热影响区（HAZ），通常需要在加工过程中将其去除[[23], [29], [30], [31]]。Shang等人[[32]]提出了一种新的激光加热时空控制方法，有效避免了加工表面下的过热现象。在此基础上，Mypati等人[[33]]开发了一种针对Ti6Al4V/SiCf复合材料的完全逆向LAM策略，显著减少了刀具磨损和表面粗糙度，同时防止了表面下纤维的热损伤。但目前尚未有针对LAM后SiCp/Al复合材料表面下残余HAZ的处理方法。Cui等人[[34]]通过激光扫描实验发现，SiCp/Al复合材料的软化机制源于微观结构演变，包括位错湮灭和晶粒生长，这意味着控制表面下微观结构的形成可能是解决HAZ问题的有效途径。

UVAM作为一种新兴技术，在提高表面质量和实现特殊微观结构方面具有显著优势[[35], [36], [37], [38]]。Hu等人[[39]]通过对TC4钛合金进行纵向弯曲UVAM实验和有限元模拟，发现超声振动显著降低了切削力、刀具磨损和表面粗糙度。Cui等人[[40]]详细研究了超声振幅对SiCp/Al复合材料表面质量和表面下损伤的影响，结果表明最佳超声振幅对提高表面质量至关重要。Wang等人[[41]]对SiCf/Ti复合材料进行了UVAM实验，发现超声振动显著降低了切削力，并促进了表面下位错的激活和湮灭以及动态再结晶（DRX）等微观结构演变。Liang等人[[42]]实验揭示了高频UVAM过程中表面下DRX、孪晶和层错的形成机制，发现超声振动显著提高了表面纳米硬度。Chang等人[[43]]也发现，超声振动引起的晶粒细化和位错积累有助于改善表面机械性能。尽管超声振动在控制材料微观结构方面具有强大能力，但其效果受到材料性质和温度的限制。对于高强度难加工材料，高变形抗性限制了超声振动的有效性，降低了其表面下处理深度[[44]]。此外，超声振动可能会降低加工温度，从而抑制DRX效应[[45]]。合理匹配激光和超声能量场可能会产生协同效应：一方面，超声能量场有助于控制LAM后的HAZ微观结构；另一方面，激光能量场为超声振动引起的微观结构演变提供了适宜的温度和塑性。因此，在LAM基础上引入超声振动，形成了激光-超声振动辅助加工（LUVAM）技术。

需要强调的是，激光和超声振动能量场的混合应用已在多个领域得到广泛研究[[46], [47], [48], [49]]。在增材制造领域，Chen等人[[50]]利用超声微锻造装置改善了激光定向能量沉积（LDED）制备的高熵合金的微观结构和机械性能，揭示了超声能量场对孔隙率降低、再结晶行为和强化机制的影响。Liu等人[[51]]开发了一种结合超声冲击处理的定向能量沉积方法，通过塑性应变和热循环的协同效应有效促进了柱状晶粒向等轴晶粒的转变。Li等人[[52]]采用后处理超声冲击处理方法调节了LDED制备的IN718合金的微观结构和残余应力分布，实现了强度和延展性的协同增强。在表面强化领域，Li等人[[53]]将激光加热引入超声表面滚压工艺，显著提高了钛合金的残余压缩应力场稳定性，促进了有利微观结构的形成，从而延长了疲劳寿命。总之，整合激光和超声振动能量场以优化高性能材料的表面下微观结构具有重要的研究价值和应用潜力。

近年来，关于LUVAM的研究日益增多[[54], [55], [56]]。Du等人[[57]]基于脉冲激光辅助超声椭圆振动切割（PLA-UEVC）实验发现，多能量场有助于控制切屑并降低切削力和表面粗糙度。Cheng等人[[58]]通过对SiCp/Al复合材料进行激光辅助超声椭圆振动车削（LA-UEVT）的有限元模拟，发现LA-UEVT降低了切削力和温度，同时提高了加工质量。Fu等人[[59]]对SiCp/Al复合材料进行了脉冲激光超声振动辅助切割（PLUVAC）实验和MD模拟，发现PLUVAC促进了动态恢复（DRV）和完整晶粒结构的形成。然而，以往的研究主要集中在材料去除机制和表面质量改进上[[60], [61], [62]]，对LUVAM后表面下微观结构形成及其引起的机械性能的研究尚不充分。此外，过去的研究主要采用各种微观实验方法来表征材料去除机制和微观结构演变[[63], [64], [65], [66]]，但这些方法只能反映加工后的材料状态，难以捕捉加工过程中的微观结构动态演变。近年来，分子动力学模拟因能够阐明位错堆叠、相变和DRX过程等原子尺度现象而受到越来越多的关注[[67], [68], [69], [70]]。Wang等人[[71]]研究了钨材料在超声椭圆振动加工过程中的表面/表面下形成机制，发现提高超声振动频率有助于减少表面下损伤深度和位错密度。Liu等人[[72]]利用MD模拟详细讨论了切割温度对RB-SiC复合材料LAM过程中Si-SiC相互作用的影响机制。Chen等人[[73]]结合MD模拟和微观实验，全面研究了多晶铁超高速加工过程中的DRX和表面下损伤形成现象。显然，MD模拟将为理解SiCp/Al复合材料LUVAM过程中的微观结构演变提供新的视角。

尽管已有关于SiCp/Al复合材料LUVAM的研究，但其表面下微观结构演变机制及其对机械性能的影响仍不完全清楚。具体而言，本研究将探讨以下两个科学问题：首先，引入超声振动对LAM过程中微观结构演变有何影响？其次，不同温度条件下超声振动对微观结构的影响有何差异？为回答这些问题，本文的结构如下：第2节详细描述了切割实验、微观结构表征实验和MD模拟设置；第3节综合讨论了不同加工条件下的材料去除过程、表面下晶体学演变、原子尺度微观结构和机械性能，结合实验和模拟结果进行分析；第4节总结了研究结论和未来研究方向。

**方法论**
本节详细阐述了实验和MD模拟的安排。第2.1节介绍了具体的切割过程和参数，以及电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和纳米压痕的实验设置；第2.2节概述了模型配置和相关假设。

**结果**
基于实验和MD模拟结果，第3.1节首先比较了不同加工条件下的切削力和剪切应变，为后续分析表面下微观结构演变奠定了基础；第3.2节分析了微观尺度上的表面下晶体学演变机制；第3.3节讨论了纳米尺度上的位错、层错和亚晶粒等微观结构。

**结论**
为了克服LAM的局限性，本研究通过引入超声振动实现了SiCp/Al复合材料的LUVAM，提出了一种恢复材料表面下机械性能的新策略。基于多尺度实验和模拟技术，本文全面研究了表面下微观结构的形成及其引起的宏观机械响应。主要结论如下：在LAM过程中引入超声振动进一步……

**作者贡献声明**
崔飞杰：撰写-原始稿件、软件开发、方法论设计、数据管理。
张航：方法论设计、正式分析。
齐晓科：正式分析、数据管理。
侯澈：资源协调。
唐晓伟：实验研究、概念构思。
严荣：验证工作、实验研究、概念构思。
彭芳宇：撰写-审稿与编辑、资金获取、方法论设计、实验研究。方宇鹏：撰写（包括审稿与编辑）、方法论研究、调查工作以及资金筹集。