钨合金超声振动研磨的表面生成机理：基于有限元方法和单颗粒划伤实验的研究

《Ultrasonics》：Surface generation mechanism of tungsten alloys in ultrasonic vibration grinding: employing FEM and single-particle scratching experiments

　　

受控核聚变代表了人类能源挑战的终极解决方案，钨合金因其卓越的抗辐射性在核聚变应用中不可或缺。然而，硬脆的钨颗粒与软粘的镍铁相相结合，在加工过程中带来了巨大挑战。能场辅助加工是钨合金超精密加工的主要技术，但关于超声振动辅助磨削（UVAG）钨合金表面形成机制的研究仍不够充分。因此，基于有限元模拟和划痕实验，本研究探讨了钨合金的材料去除机制和微观结构演变。结果表明，超声振动可以减弱犁耕效应，导致更高的材料去除率，出现韧性材料去除，但这种效应随着划痕深度的增加而减弱。此外，超声振动将塑性应变率提高了两个数量级，通过动态应力积累显著影响微观结构：晶粒细化层厚度从 1.5 μm 减小到 0.7 μm，初始宽度为 2 μm 的钨颗粒细化到小于 1 μm。同时，超声振动扩大了受高位错密度影响的区域。在等效深度下，位错密度比基体增加 3–5 倍。利用这些发现，优化了 UVAG 的实验参数，实现了钨合金的韧性域磨削，显著提高了表面质量。本研究建立了优化钨合金 UVAG 工艺的基本机制框架，从而有助于提高关键核聚变装置部件的加工质量和服务性能。

受控核聚变通过产生清洁、安全、丰富的聚变能源，代表了人类能源挑战的终极解决方案 [1]。偏滤器作为聚变装置的核心部件，持续暴露于等离子体辐照、高能中子轰击和强热负荷之下。这一关键功能使得聚变反应中的高功率稳态运行得以维持。钨合金由钨（≥ 92 %）、镍和铁组成，通过粉末冶金形成 [2]。该材料具有卓越的射线吸收能力和优异的高温强度，已成为核聚变反应堆偏滤器的制造材料 [3], [4], [5]。值得注意的是，钨合金偏滤器的卓越表面粗糙度和特定微观结构可以显著延长核聚变的稳态运行 [6], [7], [8]。然而，钨合金由硬脆钨颗粒和软粘结合相组成，超精密加工（UPM）特别困难 [9], [10], [11]。目前，能场辅助加工方法是唯一适用于钨合金的超精密加工技术。Yin 等人 [12] 首次将超声椭圆振动切削（UEVC）应用于钨合金的 UPM，随后开发了一套高效的 UEVC 系统。此外，Bai 等人 [13] 对钨合金的 UEVC 进行了实验研究。利用 EBSD 和 TEM 观察超细晶表面层的连续形成，并建立了位错密度演化模型。他们的结果表明，超声椭圆振动结合金刚石工具诱导了高应变率效应。这导致表面能量积累和位错聚集，从而实现韧性材料去除模式并促进晶粒再结晶。Guo 等人 [14] 进行了钨合金的化学机械抛光，阐明了晶界台阶现象，将其归因于组成相之间微观结构和性能的差异。他们的研究提出，适当平衡机械和化学效应可以有效抑制边界台阶的产生。Xu 等人 [15] 提出了一种在单机平台上结合超精密磨削与斜轴磁流变抛光的混合加工技术，显著提高了钨合金部件的轮廓精度和表面质量。然而，加工效率低，仅适用于小尺寸零件。Deng 等人 [16] 在碱性溶液中对钨合金进行了电化学抛光，将表面粗糙度 Sa 降低到 20 nm。材料通过电化学方式去除，没有机械力，不影响表面材料微观结构，如晶粒尺寸。然而，阴极的形状复制误差可能导致氧化和材料去除不均匀，使其不适合曲面零件的 UPM。Liu 等人 [17] 进行了钨合金的电辅助干切削实验，研究了复杂热机电脉冲效应下刀具与工件之间的相对运动和变形。结果表明，电辅助干切削工艺有效降低了加工硬化程度和残余拉应力，且表面改性层厚度随脉冲频率和脉冲电压的增加而显著增加。Chen 等人 [18] 将激光烧蚀纹理技术与精密磨削相结合，对钨合金的激光烧蚀辅助磨削进行了实验。结果表明，在特定的纹理比率下，激光烧蚀提高了加工质量并减小了磨削力。Kumar 等人 [19] 使用线电火花磨削加工高长径比的钨合金微工具，研究了电压、主轴转速和电路电容对材料去除率的影响，并开发了数学模型来评估影响加工响应的主导参数之间的相关性，优化了钨合金微工具的制造过程。总之，能场辅助在钨合金的 UPM 中起着关键作用。

大规模曲面零件加工可以通过使用精密和超精密磨削技术来解决 [20], [21]。一些研究人员对钨合金的精密和超精密磨削进行了研究：Li 等人 [22] 使用 TEM 研究了磨削过程中钨合金的损伤机制，并基于两相材料特性建立了钨合金的磨削力模型。然后，Li 等人 [23] 研究了平面磨削过程中高温高压条件下温度、应变和应变率对钨合金动态机械响应的影响。他们利用杯形砂轮建立了一个适用于平面磨削的最大未变形切屑厚度模型。结果表明，脆韧转变的临界应变率为 1.46 × 107 s?1，且磨削比能随最大未变形切屑厚度的增加而降低。显然，钨合金的精密和超精密磨削存在磨料自锐性不足、砂轮磨损严重和表面完整性不足等问题。借鉴超声振动辅助钨合金超精密车削中观察到的刀具磨损抑制效应和材料加工性增强效应，考虑将超声振动集成到超精密磨削中。超声振动辅助磨削（UVAG）作为一种实现钨合金 UPM 的可行方法，具有巨大的潜力。然而，目前关于这一特定应用的相关研究相对有限。然而，UVAG 加工硬脆材料的优势可以为钨合金 UVAG 的可行性分析提供参考。Song 等人 [24] 建立了 3D 有限元分析模型，定量预测硬脆陶瓷材料的边缘损伤。结果表明，UVAG 的最大边缘损伤深度小于传统加工。Ran 等人 [25] 研究了 SiCf/SiC 复合材料 UVAG 过程中的动态机械响应和能量耗散机制，发现超声振动引起的高应变率促进了复合材料脆化，减弱了界面效应、异质效应和各向异性效应，实现了 SiCf/SiC 复合材料的高质量加工。Gu 等人 [26] 进行了 SiCp/Al 复合材料的 UVAG 实验，发现超声振动延长了磨粒的有效切削路径，提高了实际切削效率，并通过引入磨粒轴向位移有效抑制了加工表面点蚀腐蚀的产生。Sun 等人 [27] 研究了 UVAG 中单磨粒轨迹对 SiCf/SiC 复合材料微观结构的影响，发现纵扭复合振动可以减小最大未变形切削厚度，增强相邻晶粒之间的干涉效应，有利于材料微裂纹的形成，改善加工表面质量。Chen 等人 [28] 引入超声振动来解决 γ-TiAl 合金高效磨削的挑战，发现其显著降低了热和机械负荷，抑制了砂轮碎裂，诱导了剪切型切屑，并改变了材料去除机制。Chen 等人 [29] 进行了纤维增强金属基复合材料的超声振动磨削，基于能量原理建立了磨削力模型以进行准确预测，阐明了超声振动下纤维断裂与基体粘合共存的机制。Zhang 等人 [30] 开发了一种考虑磨粒几何形状、切屑变形和摩擦效应的 UVAG 磨削力模型，能够准确预测各种工况下的磨削力。此外，UVAG 技术显著降低了 SiC 陶瓷加工过程中的磨削力。Zhao 等人 [31] 研究了镍基单晶的超声振动磨削，发现超声振动可以细化晶粒尺寸，诱导纳米结晶，并产生深残余压应力，显著提高了叶柄的抗疲劳性。

总之，UVAG 显著提高了硬脆材料的脆韧转变临界深度，从而促进韧性域加工。此外，UVAG 固有的间歇性砂轮 - 工件接触抑制了金刚石与铁族金属之间的石墨化反应，使得使用超硬金刚石砂轮磨削含镍铁钨合金成为可能。因此，研究 UVAG 的材料去除机制并分析振动引起的微观结构演变，可能为钨合金的 UVAG 提供有价值的见解，从而缩小现有的研究差距。这一探索为大规模曲面钨合金偏滤器的 UPM 提供了一种潜在解决方案。因此，本研究结合有限元模拟、划痕测试和磨削实验，系统地检查了超声振动对不同划痕深度下钨合金材料去除机制的影响。分析了划痕表面的微观结构特征。随后的磨削实验确凿地证明了 UVAG 对钨合金的显著优势。这些发现为优化大规模曲面钨合金部件的 UVAG 工艺建立了理论基础，并为开发专用 UVAG 设备提供了有意义的见解。至关重要是，本研究阐明了高频振动能与硬脆钨颗粒相互作用的新机制。此外，它还为跨尺度（纳米至微米）材料去除理论贡献了一个通用模型，适用于陶瓷、复合材料和其他难加工材料。此外，本研究描绘了振动参数与材料响应之间的映射关系，从而为能场辅助加工提供了可量化的能量匹配准则，并促进了加工方法从“几何控制”到“能量控制”的范式转变。

章节片段
划痕实验设计
作为 UVAG 的基础前驱，超声辅助划痕（UAS）将实际磨削中复杂的多磨粒相互作用简化为单点接触范式。这种简化使得能够准确评估超声振动如何决定关键材料去除阈值并改变潜在的去除机制。此外，将 UAS 与有限元（FE）模拟相结合，允许解耦多物理场，包括振动，

钨晶粒的晶粒取向
图 7 显示了深度为 20 μm 划痕的 SEM（扫描电子显微镜）图像。常规划痕（CS）和超声辅助划痕（UAS）划痕表层中的钨相和结合相经历了不同程度的塑性变形。
使用扫描电子显微镜（SUPRA 55, ZEISS, 德国）对划痕区域的亚表层进行电子背散射衍射检测。图 8 描绘了划痕横截面区域的 EBSD 反极图。可以观察到钨合金基体中的钨晶粒

超声振动辅助磨削实验
根据 UAS 实验结果，优化了 UVAG 参数以实现韧性域磨削，从而增强表面质量并降低位错密度，如表 4 所示。如 16 图所示，UVAG 实验是在加工中心（US70, DMG, 德国）上进行的。该实验采用了一套自行开发的 UVAG 系统。工件的尺寸和安装方法详见第 2.1 节。实验中使用的砂轮由

讨论
UAS 和 UVAG 之间的关系可以类比为“微观机制”与“宏观过程”的结合。本研究检查了不同划痕深度下划痕表面层的表面形貌和横截面轮廓，并计算了材料去除率，揭示了超声振动下钨合金的塑性去除机制。

在兼顾高材料去除率和延性去除机制的前提下，选择合适的划痕参数。结论本研究通过集成的UAS实验和有限元仿真，阐明了材料去除及微观组织演化的机理，从而为UVAG工艺参数的优化提供了理论指导。随后，通过宏观磨削试验验证了UVAG技术的工业有效性。（1）超声波振动能有效抑制UAS过程中材料在金刚石压头上粘附的现象，从而抑制鳞状结构的形成和犁沟的产生。作者贡献声明Sen Yin：原创撰写、调查研究、概念构思。Xinran Liu：审阅与编辑、验证、调查研究、正式分析、数据整理。Zhicheng Xu：验证、监督、资源获取、方法学、调查研究、数据整理。Yanan Pan：。Zhigang Dong：审阅与编辑、可视化、验证、监督、数据整理。Suet To：审阅与编辑、验证、监督、项目管理。资助声明本论文的所述工作部分由以下项目资助：香港特别行政区研究资助局一般研究资助计划（15221322）、中国国家自然科学基金项目（52505482，52205498）、深圳市科技计划项目（JCYJ20210324131214039）、河南省自然科学基金项目（编号：252300423395）以及香港创新科技委员会对国家重点实验室的资助。利益冲突声明作者声明，他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文中报告的工作。Sen Yin | Xinran Liu | Zhicheng Xu | Yanan Pan | Zhigang Dong | Suet To，河南科技大学机电工程学院，高温轻合金及应用技术国家重点实验室，中国洛阳 471003