王嘉钿 张常胜 苏 豪 沈学会 苏国胜

(齐鲁工业大学机械与汽车工程学院，山东 济南250353)

钛及钛合金作为高强度、耐腐蚀的轻质材料广泛应用于化工、船舶、航空航天等领域。其中，TC11钛合金更是因其良好的热强性和较高的室温强度用于制造航空发动机压缩机盘、叶片、鼓筒等零件[1-2]。航空发动机零部件承受循环应力和周期性振动，疲劳断裂是主要失效形式，而在疲劳失效案例中，80%是由于零部件表面完整性差引发[3]。疲劳裂纹起始于材料表面微观缺陷，比如切削加工刀痕、硬物划伤、腐蚀等，同时 TC11钛合金材料对表面缺陷更具有高度敏感性[4]。

通过机械强化工艺在材料表面和近表面引入残余压应力层可以抑制和减少疲劳裂纹萌生和扩展[5-8]。超声振动滚压表面强化技术是传统静力滚压工艺的发展，将静压力与高频机械冲击耦合作用于材料表面，迫使表面和近表面材料发生剧烈弹塑性变形，在材料近表面形成一定深度的强化改性层。已有大量研究表明，超声滚压比传统滚压具有更好的工艺效果，可有效降低达到一定塑性变形量需要的静压力。Bozdana等对Ti-6Al-4V合金进行超声深冷滚压发现在静载荷为380 N时可获得488 HV的显微硬度，而通过常规深冷滚压工艺处理获得相同级别硬度则需要1 364 N的静载荷[9]。另外，与喷丸和激光冲击强化技术相比，超声振动滚压更容易实现振动头冲击强度和密度的精准控制，保证了工艺的可重复性[10]。

然而，尽管超声振动滚压的有效性已经被工程实践证明，但其工艺效果在很大程度上受制于被处理材料本身的特点。对于高强度合金材料，由于较高硬度和相对较低的延展性，在超声滚压中很容易因严重的塑性变形导致过度硬化[11]，反而加速了裂纹萌生。基于对金属材料在高温条件下往往具有更好的加工塑性这一理论的思考，提出超声振动温滚压工艺，即在300 ℃条件下对材料进行超声振动滚压处理，完成后继续保温一段时间。同时，为了深入分析改性层深度方向残余应力和瞬态应力场的动态分布，采用有限元分析和实验研究相结合的方法，对常温/中温条件下超声振动滚压强化钛合金材料的应力应变场展开了系统分析。

1 实验装置与方法

超声滚压实验在数控车床上完成，滚压刀具可直接装夹于机床刀架，试样为直径25 mm的钛合金棒料。图1为加工原理图。超声振动滚压装置包括3部分：滚压刀具、电子控制系统和润滑系统。电子控制系统产生超声频交流电信号，并保证加工过程中振动输出稳定可靠。润滑系统为液压驱动，用于加工过程少量润滑以防止滚压头和材料黏着。滚压刀具从内向外分为3层：超声振子、套筒和外壳。超声振子将超声频交流电信号转化为同频率机械振动，然后通过变幅杆放大振幅，并传递给滚压头。实验用滚压头为圆弧面辊柱，材料为硬度92 HRC硬质合金，可沿固定回转轴线自由转动。

滚压温度设定为300 ℃。加热方式为电阻丝加热，使用红外温度计(FlirA315)实时监控试样表面温度，确保加工过程温度波动不超过± 10℃。超声振动滚压工艺参数列于表1,TC11钛合金化学成分列于表2。

表1 强化工艺参数

试样滚压后进行轻微抛光以去除氧化膜，并在丙酮溶液中进行超声清洗。采用Xstress 300应力分析仪测量工件表面残余应力值，每个试样选取10个测量点多次测量，取均值作为测量值。

表2 TC11钛合金化学成分 (%)

2 有限元模型

2.1 几何模型即网格划分

从试样上提取6 mm×6 mm×6 mm的长方体(忽略其上表面曲率)，作为有限元分析几何模型。如图2所示，AB为滚压路径。有限元模型前表面设定为对称约束表面，即中心面，以便于观察材料内部瞬时应力分布。鉴于滚压头材料的硬度远大于试样材料，定义为解析刚体。室温下超声振动滚压分析包含3个计算解析步骤：加载、滚压和卸载。这3个分析步骤均使用动力显式分析算法完成。超声振动温滚压分析包括6个计算分析步骤：加热、加载、滚压、卸载、保温和冷却。其中，前5个分析步骤均执行动力显式分析算法，冷却过程通过热力耦合算法完成，以准确模拟滚压过程及后续保温及冷却过程中材料残余应力变化。

模型采用带沙漏控制的八节点线性减缩积分单元(C3D8R)划分网格单元。为兼顾计算效率采用由细化区逐渐向边界过渡为粗网格的划分策略，整个模型总单元数为143 565个，其中细化区域单元数为25 500个。为避免应力波边界反射对模拟结果的影响，在模型表层包覆一层半无限单元格，如图2所示。

2.2 材料模型

超声振动辅助滚压强化处理过程伴随着剧烈弹塑性应变，屈服强度、硬度等机械性能随之发生变化，因此选择可同时描述应变硬化和温度软化影响屈服强度的John-Cook材料本构模型，其方程式为：

表3 材料相关力学性能参数

3 结果与讨论

图3比较了超声振动滚压和超声振动温滚压条件下得到的实验与仿真结果。仿真数据与实验数据差异在合理范围内。随着静压力的增加，试样表面残余应力总体呈现增大趋势，这与李刚等报道的超声波表面轧制Ti-6Al-4V合金所得结论一致[12]。图4分别显示了超声振动滚压与超声振动温滚压条件下仿真完成后，材料内部最终的应力分布。如图4a所示，仅在静载荷作用下的传统滚压，应力作用范围在表面层极浅处，约0.4 mm。图4b所示为常温下超声振动滚压应力云图分布。对比发现，在超声频振动激励下应力在材料内部的传播模式发生了根本性变化，应力传播深度扩展至整个模型高度大约6 mm，应力层厚度为1.5 mm，约为传统滚压的4倍。图4c显示了中温超声振动滚压条件下的应力分布云图。与图4b对比可见，应力传播范围在深度和宽度方向上均明显增加，几乎覆盖了整个模型区域。根据金属材料“温塑性”，在一定温度条件下，金属材料具有更好的流动性和更低的变形抗力，因此可以发生更强的塑性变形，促使了超声条件下振动应力的长距离振荡传播。

图5a1～d1显示了超声振动滚压第一个振动周期中4个瞬时应力分布结果。超声强化处理过程中，由于很高的冲击频率，材料已发生弹性无法及时恢复，随着后续动态冲击累积，形成应力向材料内部深处传播，最终形成动态应力波。由此可以分析，超声振动滚压引入应力层厚度相对于传统滚压显著增加的原因：一是超声振动叠加于静载荷，使滚压头与被处理材料表面接触面积增大；二是超声振动激励从根本上改变了材料内部应力传播方式，导致应力波在材料内部形成与传播，表现为声塑性。

图5a2～d2显示了超声振动温滚压中应力波的形成和传播。对比不难看出，在中温条件下，由于钛合金材料塑性增加，变形抗力减小，单次冲击影响深度增加，在后续高频动态冲击作用下应力累积更快更显著，促进了动态应力波的更快速形成和更广泛传播。不难总结分析，超声温滚压条件下，材料在温塑性和声塑性的共同作用下，更容易发生塑性变形，可以进一步减小达到所需塑性变形量所需要的静压力，或者说在相同的静压力和振动参数下，形成更深的压应力层，产生更佳的工艺效果。

图6显示常温超声滚压和中温超声滚压在仿真完成最终时刻的残余应力S22应力分布云图。图7显示了在超声振动滚压和超声振动温滚压两种条件下深度方向残余应力的变化。图7中可见，中温超声振动滚压试样的最大残余压应力值明显小于超声振动滚压处理试样。分析原因在于：中温条件下，材料变形抗力减小。同时，加工后保温过程中存在部分应力释放。然而，最大残余压应力的降低并不意味着超声振动温滚压工艺引入残余压应力效果差。仔细观察图7发现，超声振动温滚压试样的残余压应力层厚度大约为750 μm，大约是常温超声振动滚压试样的1.5倍。此外，材料内部必然有拉应力以平衡表面残余压应力。综合对比图6和图7，常温超声振动滚压试样材料内部拉应力集中于近表面残余压应力层下方，而超声振动温滚压试样中内部残余拉应力向材料内部迁移并均布分散，可以改善残余拉应力对零部件可能造成的不利影响。

图8显示了分别经常温超声振动辅助滚压和超声振动辅助温滚压处理样品的等效塑性应变(PEEQ)随深度的变化。如图所示，超声振动辅助温滚压滚压处理试样的等效塑性应变远大于常温超声振动辅助滚压，这意味着更严重的塑性变形。这种情况下，与常温超声振动辅助滚压相比，超声振动辅助温滚压工艺需要较小的静载荷或者较少的滚压道次就可获得所需的弹塑性应变，这对薄壁工程零件/构件的强化处理具有特殊意义。

4 结语

使用自行研发制造的一套辊子头超声振动辅助滚压设备。在对TC11钛合金进行强化过程中，提出并研究了一种新的表面强化工艺。采用实验与有限元分析相结合的方法对常温超声振动辅助滚压和超声振动辅助温滚压两种工艺引入的残余应力进行对比研究。主要发现如下：

(1)常温超声振动辅助滚压和超声振动辅助温滚压两种工艺强化工件表面残余应力的有限元分析结果与实验结果一致性良好。

(2)瞬态应力分析表明：在超声振动辅助滚压过程中，超声频机械振动改变了应力传播方式，导致应力波在材料内部形成与传播，即超声振动对材料的声塑性效应；而超声振动辅助温滚压过程中的高温塑性可以极大的促进应力波形成和长距离传播，即导致超声振动对材料的声塑性效应增强。

(3)虽然超声振动辅助温滚压引入试样中最大残余应力最大值小于常温超声振动辅助滚压处理试样，但其强化层厚度远大于超声振动辅助滚压试样，约增加1.5倍(从300 μm增加到750 μm)。另外，相对于常温超声振动辅助滚压所处理样品，经超声振动辅助温滚压处理样品，其内部残余拉应力向模型更深处迁移分散，这有助于减少残余拉应力对零件应用造成的不利影响。

(4)相同静载荷下，相对于常温的超声振动辅助滚压，超声振动辅助温滚压将引入更严重的塑性变形，对薄壁类工程零件/构件强化处理具有重要意义。