多晶合生孪晶TiAl单晶超声波振动辅助磨削中的韧性-脆性转变与损伤抑制

《Journal of Manufacturing Processes》：Ductile-brittle transition and damage suppression in ultrasonic vibration-assisted grinding of polysynthetic twinned TiAl single crystals

　　

• •
  建立了适用于PST TiAl单晶的单颗粒CG/UVAG划痕实验体系
• •
  定量阐释了a_gmax与v_s对磨削力、e_s及MRR的影响关系
• •
  揭示了TiAl单晶层状结构的主导性脆韧转变规律
• •
  UVAG可有效抑制层间开裂、大块剥落及深层亚表面损伤。

引言

多晶孪晶TiAl单晶作为一类新型轻质高温结构材料，具有优异的比强度和协同塑性强化能力，在先进航空航天零部件领域极具应用吸引力。然而，其特有的γ/α₂层片状组织与显著各向异性，使其在加工过程中极易产生损伤，成为工程应用的关键瓶颈 [1], [2]。对这类替代材料的需求源于传统镍基单晶高温合金的固有局限性，后者具有密度大、成本高昂以及在900 °C以上蠕变抗力下降等缺陷 [3], [4]。此外，常规γ-TiAl合金室温延展性极低 [5]，且脆韧转变温度较高 [6]，尽管其密度仅为镍基合金的60% [7]，在加工过程中仍会出现严重的开裂与层片剥落。多晶孪晶TiAl单晶为突破上述双重限制提供了组织路径，但其各向异性的层片结构给无损加工带来了根本性挑战。

通过无籽β定向凝固制备的新型多晶孪晶TiAl单晶，得益于其独特的组织 [8], [9] 和优异的性能 [10]，克服了传统高温材料的局限。该材料具有γ/α₂层片双相交替组织，在0°取向处界面失配和界面能较低，室温抗拉延展性达6.3–7.6% [11], [12]。同时，其在900 °C下仍保持640 MPa的高屈服强度，蠕变寿命是商用Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的67倍 [13], [14]。此外，其密度仅为3.9 g/cm³，满足严格的减重要求。由塑性变形形成的高密度纳米孪晶实现了强韧性的协同提升，从而避免了传统高温合金固有的强度-韧性权衡 [15], [16], [17]。

然而，TiAl单晶的层片双相组织与优异力学性能也给其加工带来了显著挑战 [18]。α₂相硬度较高，而γ相相对较软，导致材料力学性能呈现显著各向异性 [19], [20]。结合其高室温强度、低延展性以及层间结合强度差异，磨粒与工件在磨削过程中的相互作用极其复杂 [21]。在TiAl金属间化合物加工过程中，α₂相易发生脆性断裂，而γ相可能发生塑性变形和粘附 [22]，从而引起层片剥落、微裂纹和材料隆起等表面缺陷 [23]。亚表面质量也难以控制，进而损害其高温力学性能和服务可靠性 [24], [25]。

值得注意的是，Wu等人 [26] 指出，超声振动辅助磨削（UVAG）通过高频振动叠加实现间歇切削。Li等人 [27] 证明，微尺度椭圆振动可有效调控刀具-材料相互作用和材料变形，实现高效可控的表面微组织生成。对于TiAl金属间化合物这类层状双相、高度各向异性的塑性材料，UVAG能够平衡层片间的应力分布，抑制层片剥落和纳米孪晶损伤，提高材料去除均匀性 [28], [29], [30]。同时，高频往复冲击可有效削弱磨削热积累和切屑焊接粘附效应 [31], [32], [33]。然而，现有研究尚未系统阐明超声振动对TiAl单晶中γ/α₂层片协同塑性变形的调控机理，也未揭示磨削参数与材料组织之间的耦合规律。

针对TiAl单晶层状双相组织带来的低损伤加工挑战，本研究设计了与实际磨削工况相匹配的单颗粒磨削实验体系。首先，建立单颗粒运动学理论模型，系统分析在存在或不存在超声能场情况下磨粒相对运动轨迹的演化特征。其次，系统研究关键工艺参数对磨削力、比磨削能和MRR的耦合影响。在此基础上，揭示超声振动调控下TiAl单晶中γ/α₂层片的去除行为与脆韧转变机理。最后，阐明加工过程中表面/亚表面缺陷的形成功能机理，为TiAl单晶的高效低损伤加工提供理论支持。

章节摘要

单颗粒的运动学特性

以砂轮中心为原点建立坐标系（图1a）。x轴定义为平行于工件表面并沿工件进给方向，y轴则垂直于工件表面。沿x轴方向对工件施加一维切向正弦超声振动，即平行于加工表面并沿进给方向。由此得到的单颗粒相对运动特性为

工件制备

本研究采用TiAl单晶（Ti-45Al-8Nb）作为实验材料，通过无籽β定向凝固工艺制备 [34]。TiAl单晶的组织如图3a所示，其在室温下主要呈现γ（TiAl）/α₂（Ti₃Al）层片双相交替特征 [35]。如图3b所示，该合金主要由γ相（>95%）组成。此外，由于工艺原因还存在微量Ti₂AlNb相

磨削力行为

磨削力是评价单颗CBN磨粒磨削性能的关键指标，间接反映了磨粒的锋利度。图5给出了单颗粒在CG和UVAG工艺下的磨削力变化曲线。可以观察到，在几乎所有磨削工况下，施加切向超声振动后的法向磨削力均显著低于CG下的磨削力。这归因于在

结论

本研究以TiAl单晶为对象，开展CG和UVAG下单颗粒划痕的理论研究与实验研究。结合单个磨粒的运动学分析，通过磨削力、MRR、比磨削能、表面/亚表面形貌以及组织演化等方面的对比分析，揭示了由γ/α₂层片组织主导的材料去除特性与振动诱导的损伤抑制机理。

• (1)

CRediT作者贡献声明

Nian Wan：撰写—初稿，研究。 Rui Zhang：软件，数据整理。 Junshuai Zhao：验证，资源，研究。 Wenfeng Ding：撰写—审阅与编辑，研究。 Biao Zhao：撰写—审阅与编辑，项目管理，资金获取。

关于写作过程中使用生成式AI及AI辅助技术的声明

在撰写本工作过程中，作者使用了[CHATGPT 5.0]以[翻译并润色原稿]。在使用该工具/服务后，作者对内容进行了审阅和编辑，并对出版物内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作获得国家自然科学基金（52575504、52675577）、中央高校基本科研业务费专项资金（江苏）（NG2026003）、江苏省研究生科研与实践创新计划（26CXJH0886）以及南京航空航天大学博士研究生跨学科创新基金（KXKCXJJ202616）的资助。

Nian Wan|Rui Zhang|Junshuai Zhao|Wenfeng Ding|Biao Zhao