《Journal of Materials Research and Technology》：A new method for repairing and strengthening the recast layer from electric discharge machining based on cryogenic assisted ultrasonic shot peening
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电火花加工（EDM）作为一种忽略材料硬度的非接触特种加工方法，在高温合金等难加工材料航空航天领域制造中具有重要应用。然而，疏松脆性的放电重熔层不可避免，严重影响构件性能。目前处理放电重熔层的常用措施是通过磨削、磨料流、电化学等方法直接去除，虽能去除重熔层，但去
电火花加工（EDM）作为一种忽略材料硬度的非接触特种加工方法，在高温合金等难加工材料航空航天领域制造中具有重要应用。然而，疏松脆性的放电重熔层不可避免，严重影响构件性能。目前处理放电重熔层的常用措施是通过磨削、磨料流、电化学等方法直接去除，虽能去除重熔层，但去层后表面耐磨性仍较低，仍需表面强化处理方可用于航天领域。针对上述问题，研究人员提出一种基于低温辅助超声喷丸（CUSP）的EDM重熔层修复强化新方法。利用低温超声喷丸高频冲击，将疏松脆性放电重熔层转化为具残余压应力的致密强化层，实现重熔层变废为宝。实验结果表明，与粗电火花加工（R-EDM）样相比，超声喷丸（USP）和CUSP分别将重熔层表面粗糙度由3.87 μm降至1.92 μm和1.42 μm；残余应力由490–530 MPa拉应力分别转为-620 MPa和-725 MPa压应力；表面硬度由383 HV分别升至463 HV和560 HV。这说明CUSP可有效修复强化放电重熔层。此外，因粗糙度降低及强化层形成，与R-EDM样（摩擦系数0.12、磨损率2.59×10-4 mm3/(N·m)）和R-EDM+精磨（PG）样（0.29、8.14×10-4 mm3/(N·m)）相比，CUSP将摩擦系数和磨损率分别降至0.11和0.74×10-4 mm3/(N·m)。可见CUSP工艺免去了单独去除放电重熔层的工序，利用重熔层（组织缺陷）与喷丸（强烈塑性变形）的耦合效应，获得更优表面强化与耐磨性。
研究背景方面，电火花加工（EDM）凭借非接触、不受材料硬度限制的特性，成为航空航天高温合金构件精密制造不可替代的工艺，但瞬时高温熔化急冷会在工件表面留下放电重熔层。该层疏松多孔、硬脆伴生微裂纹与残余拉应力，导致构件耐磨性、疲劳与耐蚀性下降，是高端装备可靠运行的薄弱环节。现行机械抛光、线电解、多次修切等工艺仅能去除或减薄重熔层，裸露出基体表面性能仍不足，需追加强化工序。超声喷丸（USP）可借高频弹丸冲击诱发严重塑性变形、细化晶粒并植入残余压应力，单一工艺增益已近瓶颈；低温预处理能通过晶格收缩与相变调控材料塑性变形能力，与USP复合有望突破强化上限，但低温预处理辅助USP修复重熔层的作用机制尚缺乏系统揭示。为此，研究人员以GH4169镍基高温合金为对象，提出低温辅助超声喷丸（CUSP）同步修复强化重熔层的方法，旨在明确重熔层由废转用的耦合机制，为EDM构件表面处理提供理论支撑。该文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。
关键技术方法上，研究人员采用线切割（WEDM）制备粗加工（R-EDM）与精加工（F-EDM）两种放电态GH4169试样，部分组别人为精磨（PG）去除重熔层；强化前将试样浸液氮3小时深冷预处理，随后在自建USP平台以1200 W、20 kHz、锆珠直径1.5 mm冲击15分钟完成CUSP。表征方面，借扫描电镜（SEM）与白光干涉看表面形貌粗糙度，超景深显微镜与电子背散射衍射（EBSD）分析截面金相及晶粒取向，X射线衍射（XRD）估算晶粒尺寸与位错密度，维氏显微硬度计测截面梯度硬度，X射线残余应力仪用sin2ψ法测表面应力，UMT摩擦磨损试验机配GCr15对偶、VG220润滑油做往复摩擦评估耐磨性。
研究结果部分，3.1表面修复中，3.1.1表面形貌显示R-EDM珊瑚状重熔层经USP被弹丸压碎展平，CUSP因深冷提升塑性流动使凹坑更细表面更光；3.1.2表面粗糙度数据证实USP将Ra由3.87 μm降至1.92 μm，CUSP进一步降至1.42 μm，F-EDM初始Ra仅0.91 μm但经喷丸后仍由工艺主导终值。3.2表面强化中，3.2.1截面金相表明USP/CUSP均生梯度细化层，CUSP层厚且细，含厚重熔层的R-EDM+CUSP细化最深；3.2.2晶粒细化经EBSD见CUSP表层0–50 μm等轴超细晶平均晶面58.99 μm2，小角晶界占59.4%，XRD半高宽（FWHM）与位错密度测算显示CUSP位错密度达18.10×1013 m?2高于USP的17.80×1013 m?2，KAM（Kernel Average Misalignment）图证实重熔层缺陷降变形抗力促应变累积；3.2.3显微硬度指出CUSP使R-EDM样表层达560 HV（USP为463 HV），梯度硬化层深且高；3.2.4表面残余应力表明R-EDM本底为490 MPa拉应力，CUSP转为-725 MPa压应力，优于USP的-623 MPa，含重熔层者压应力幅值更高。摩擦磨损结果显示CUSP样摩擦系数0.11、磨损率0.74×10-4 mm3/(N·m)，显著低于R-EDM与R-EDM+PG。
讨论与结论翻译部分，研究人员指出EDM重熔层虽为热致缺陷，却因富含微孔微裂成为USP动态再结晶高密度形核位；深冷预处理降层错能抑动态回复，使CUSP位错储存与晶界大角度化更充分，重熔层疏松结构被冲击压密、缺陷桥接闭合，终成致密强化层并植入高幅残余压应力。结论为：CUSP免除了重熔层单独去除工序，利用重熔层微观缺陷与超声喷丸强塑变耦合，在GH4169表面实现Ra 1.42 μm、硬度560 HV、残余压应力-725 MPa及磨损率0.74×10-4 mm3/(N·m)的同步修复强化，较单一USP与先去层再强化路线具更优表面完整性与耐磨性，为航空航天EDM件表面改质提供新路径。
