在采用磨料射流加工Ti-6Al-4V合金的过程中，通过磨料调节能量集中现象以及实现材料内部的温度-力学状态重建

《Sustainable Materials and Technologies》：Abrasive-regulated energy localization and subsurface thermomechanical reconstruction during abrasive waterjet machining of Ti-6Al-4V alloy

　　

摘要

磨料水射流加工（AWJM）提供了一种非接触式的加工方法，适用于难以加工的钛合金，同时对材料的宏观热损伤有限。然而，要可靠地应用这种方法，需要从力学角度理解磨料特性如何影响材料去除效率、表面完整性以及微观结构的变化。本研究通过使用不同的磨料类型和不同粒径的石榴石颗粒，对比实验分析了Ti-6Al-4V合金在磨料作用下的表面去除情况和亚表面微观结构变化。结果表明，磨料特性与能量 dissipation 路径的系统变化以及从犁切主导的变形向局部微切削的转变密切相关。将石榴石磨料的粒径从80#细化到150#后，表面粗糙度（R_a）从132.55 ± 5.6 nm降低到55.64 ± 3.78 nm；而碳化硅（SiC）则使表面粗糙度降至82.20 ± 4.58 nm，并且表面特征以局部微切削为主。电子背散射衍射（EBSD）分析显示，受影响的亚表面经历了以变形为主的梯度重构，平均晶粒尺寸从28.92 ± 1.54 μm减小到9.76 ± 0.59 μm，平均晶粒取向错位从0.25 ± 0.03°增加到0.48 ± 0.03°，高角度晶界比例达到48.1%；同时，高晶粒取向区域仍然占主导地位。EBSD图谱显示，材料主要呈α晶系排列，β晶系的分布比例在0.18%到2.34%之间变化。结合近表面氧含量和深度依赖的局部力学性能，这些观察结果表明在主要受变形驱动的亚表面演变过程中存在局部热机械效应。总体而言，磨料类型和粒径共同影响了冲击的严重程度和能量的局部集中程度，从而改变了犁切主导的变形与局部微切削之间的平衡。这些发现为选择合适的磨料特性以提高表面完整性和控制精密AWJM过程中的亚表面变形提供了力学指导，有助于未来更高效的加工。

引言

Ti-6Al-4V合金因其出色的比强度、优异的疲劳抵抗力和良好的耐腐蚀性，在航空航天、生物医学工程和海洋工程等前沿领域发挥着不可或缺的作用[1],[2]。然而，作为一种典型的难加工材料，其极低的导热性和高化学反应性会在传统的接触式加工过程中导致严重的工具磨损、局部热损伤和高频振动[3],[4]。这些固有的加工缺陷不仅会降低材料表面的完整性，还会严重影响在高载荷条件下的疲劳寿命和组件运行可靠性。因此，迫切需要探索能够提高加工表面完整性的先进高效制造技术[5]。

磨料水射流加工（AWJM）是一种非接触式加工工艺，利用高压水射流将磨料颗粒加速喷射到工件上[6],[7]。该工艺可以减少宏观热影响区的形成，并适用于复杂几何形状和硬质材料[8]。尽管具有这些显著优势，AWJM仍受到某些固有缺陷的限制。在高压高能量射流的强烈冲击下，表层容易产生随机微缺陷，包括微犁切、塑性涂抹和磨料颗粒嵌入[9],[10]。更严重的是，水射流冲击还可能导致亚表面的局部塑性变形和晶格畸变。这种不可察觉的亚表面损伤严重限制了该技术在精密制造领域的应用。

在AWJM中，磨料颗粒是传递动量和实现材料去除的主要载体，它们的硬度、密度、粒径、断裂行为和几何形状共同决定了加工后的表面质量[11],[12]。Fowler等人[13]研究了磨料硬度和形状对Ti-6Al-4V合金铣削的影响，发现工件与磨料之间的硬度比比颗粒形状更为关键。他们观察到，磨料硬度的提高会同时增加材料去除率和表面粗糙度。最近的定量研究表明，磨料的选择对加工效率有显著影响。Kaya等人[14]比较了八种不同磨料类型，发现材料去除率范围为2.29至102.27 mm³/s，并且磨料密度与去除率之间存在密切关系。Guglielmi等人[15]通过生命周期评估发现，减少50%的磨料使用量可使AWJ加工的环境影响降低42.0%–93.0%，同时降低29.9%的生命周期成本。Wan等人[16]报告称，用钢渣磨料替代石榴石磨料可使单位成本下的切割效率提高250%以上，潜在的运营成本可降低约45%。这些结果表明，磨料特性和消耗量会影响加工生产率、资源利用、经济性能和环境影响。然而，现有文献大多将磨料参数视为宏观侵蚀效率的决定因素，而忽略了它们对微观结构演变的主导作用。这一知识空白限制了对AWJM过程中表面完整性和亚表面变形的控制。最近的研究开始探究经过AWJM后处理的增材制造钛合金的表面完整性[17],[18]，但尚不清楚宏观去除效率中的硬度主导趋势是否也适用于微观尺度的热机械效应和亚表面响应。特别是，磨料几何形状在调节局部变形、瞬态热参与和条件依赖的相析出中的作用仍不够明确。

随着表面与界面科学的不断发展，微观结构演变与宏观力学响应之间的强耦合效应成为该领域的研究前沿[19],[20]。在极高的应变率下，最外层不仅会发生严重的塑性流动和位错缠结，还会出现动态晶界旋转、局部纹理随机化和亚晶粒细化[21],[22]。此外，最近的研究表明，尽管AWJM在宏观上看似处于冷态，但由局部高频摩擦产生的瞬时绝热温度升高所引发的热机械耦合效应不容忽视。这种现象甚至可能导致边缘相变（如β相的波动）和表面氧含量的富集[23]。这种梯度演变受到机械应变硬化和绝热软化之间的激烈竞争的影响，可能影响局部力学性能的发展。

为了解决这一问题，本研究结合了三维表面形貌分析、电子背散射衍射（EBSD）、元素分析和纳米压痕实验，研究了磨料类型和粒径对AWJM处理的Ti-6Al-4V合金材料去除行为和亚表面演变的影响。通过建立磨料特性、局部变形和热机械响应之间的联系框架来解释实验结果。特别关注了从广泛犁切到局部微切削的转变、变形梯度层的形成以及相应的晶格取向错位、边界特征、EBSD指数相比例、氧含量和局部压痕响应的变化。本研究旨在将AWJM的评估范式从传统的宏观去除效率提升到微观机械能量耗散层面，从而为钛合金的高性能水射流加工提供理论基础。

章节摘录

理论框架

高速磨料颗粒与Ti-6Al-4V合金基材之间的相互作用不仅是一个简单的机械去除过程，还是一个复杂的 thermodynamic 事件，如图1所示，受到极端局部塑性的影响。在单颗粒冲击对应的应变率下，特征性的热扩散距离可能远小于局部变形尺度[24],[25]。这种尺度对比提示我们需要考虑短时间的绝热效应

材料

本研究中使用的基材是航空航天级别的Ti-6Al-4V合金板，尺寸为100 × 100 × 20 mm。其详细的化学成分按重量百分比列于表1中。如图2(a)所示，初始微观结构为均匀的α + β双相结构。在AWJM加工之前，使用与加工截面相同的最终氩离子抛光工艺制备了一个未经处理的参考样品

微颗粒冲击下局部塑性变形模式的转变

图4展示了加工后的Ti-6Al-4V合金的SEM显微形态，表明材料去除机制受到磨料特性的显著影响。使用相对较软且钝的石榴石磨料时，主要通过犁切效应引起严重的塑性流动，其特征是明显的边缘堆积、广泛的塑性涂抹和细长的带状结构形成（见图4(a)

结论

本研究通过对比不同磨料类型和石榴石颗粒粒径系列，研究了磨料特性与AWJM处理的Ti-6Al-4V合金的材料去除行为、亚表面微观结构演变、局部热机械响应及近表面力学性能之间的关系。研究结果为磨料选择和开发低损伤、高完整性的AWJM工艺提供了力学指导

CRediT作者贡献声明

Shuaikang Chang: 负责撰写、审稿和编辑，原始稿件撰写，验证，软件开发，实验设计，数据整理，概念构建。Wenchuan Liu: 负责撰写、审稿和编辑，方法学指导，资金筹集。Jiren Tang: 验证，监督，资源调配，资金筹集。Mengyan Fan: 实验设计，数据整理，概念构建。

利益冲突声明

我们确认本研究中不存在已知的利益冲突，且該研究未接受任何可能影响其结果的财务支持。

我们确认所有署名作者均已阅读并批准了手稿内容，也确认没有其他符合作者资格但未列出的人员。同时，我们确认手稿中的作者顺序经过了所有作者的同意。

我们确认

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（批准号：52104183和52274074）、重庆市技术创新与应用发展专项资金（项目编号：cstb2022tiad-kpx0135）以及重庆市人才计划优秀科学家项目（项目编号：cstc2024ycjh-bgzxm0016）的财政支持。

Shuaikang Chang|Wenchuan Liu|Jiren Tang|Mengyan Fan

重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，中国重庆400044