金属材料超声表面强化技术的研究与应用进展

徐 莉

（酒钢集团榆中钢铁有限责任公司，甘肃 兰州 730104）

1 超声冲击处理技术

众所周知，超声处理技术是我国目前应用较为广泛的技术，大功率的超声是这一技术中最关键的驱动能量。超声处理技术能够有效进行电能与机械能之间的转化。磁致伸缩转换能器和压电陶瓷是超声冲击处理技术能够顺利工作的关键因素，机械能会转化为变幅聚能，然后对焊件的表面造成冲击，使材料表面形成塑性形变，从而极大降低焊接操作过程中产生的残余应力，还能够有效提高抗疲劳性[1]。超声冲击处理技术又称为超声表面强化技术。超声冲击处理技术是由20世纪70年代前苏联的科学家发明的，1990年法国开始对超声冲击技术进行研究，美国于1995年开始了在桥梁结构上应用超声冲击处理进行研究，我国也是从20世纪90年代开始探索和研究冲击处理技术，冲击处理与焊接接头疲劳强度之间的关系是我国的主要研究领域。

经过我国相关科学家研究发现，工件的接头如果经过超声冲击后，那么其抗疲劳性就会大幅度提高[2]。而且，这一研究成果目前已经在焊接行业当中广泛应用。用超声冲击技术对焊接接头进行处理后，不仅能够提高焊接接头的抗疲劳性，还能够在很大程度上降低焊接以后工件上残留的应力。降低残留应力还能够提高接头的应力腐蚀性。除此之外，在加工工件过程中，容易出现受应力影响所产生的疲劳裂纹，这些疲劳裂纹也能够用超声冲击技术来去除。用超声冲击技术处理过的工件稳定性和质量都较好。但是我国并不是第一个使用超声冲击技术的，在乌克兰和俄罗斯等国中很早就开始使用这一技术[3]。在近些年来，我国逐渐提高对超声冲击处理技术重视程度，这一技术在我国的应用也逐渐增加，而且还能够起到改良工业品的合金力学性能的作用。经过研究表明，超声冲击处理可以将超高强钢焊接接头晶粒细化达到50μm深，其表层晶粒尺寸为63nm～82nm。而且经过超声冲击处理后J507堆焊层形成晶粒尺寸为21nm的表面纳米化层，是之前硬度的1.4倍。这一技术在我国工业行业当中的广泛应用，不仅能够提高我国科技水平，还能能够加强我国科技技术，从而有效提高我国的经济发展，使我国在科技方面进一步发展和进步。

图1 超声处理技术

2 超声喷丸强化技术

超声喷丸强化技术和超声表面处理技术存在一定的差异，超声喷丸强化技术不仅功率较高，而且可以作为驱动金属工件的能量。超声喷丸技术运用超声振动作为USP的推动了，这样与传统的用气推动技术相比，减少了一个提前压缩空间的步骤，也在很大程度上提高了安全系数，使能量可以进行循环利用，减少能量消耗。这一技术更容易控制，从而使工艺也具有较强的可控性，可以对某些特定的工业品进行定制[4]。例如，这一技术可以根据相应的要求，对工件的深度和直径等参数进行提前设定，然后在运用USP技术进行特别定制，具有较强的实用性，而且较为便捷。

想要运用USP技术对工艺进行控制，就需要对机器的振幅参数以及超声波的频率进行设置。但是，如果工业品的尺寸过大，那么即使应用USP技术，也会存在残余应力，但是这一技术最大的有点就是可以使工业品的表面变得更加平整、更加光滑。因此，这一技术不论是在国内还是在国外都被广泛应用，而且大部分都是将这一技术直接应用于工业品的表面或者零件的表面。

图2 超声喷丸强化技术

我国相关科学家也在这一技术方面加强了理论和实践的研究，当前最热门的领域是应用纳米技术对材料表明进行处理，而且这一技术目前在我国已经获得了一定的研究成果和应用效果，我国也对这一技术的前景进行一系列的研究和展望。因为USP技术自身具有较多的优势和特点，因此将这一技术引进国内以来，在我国有着较好的发展现状。但是，USP技术也具有一定的局限性，这一技术在一定程度上限制了零件的尺寸，如果零件的大小不在范围内，那么就会严重影响到处理效果。虽然纳米化技术能够提高材料表面的抗疲劳性，但是这一技术在应用过程中会受到很多外界因素的限制和影响。

3 超声振动挤压

机器的工具头通过压力和高频冲击力等，对材料表面产生碰撞力，这就是超声振动挤压。经过超声振动挤压处理过后使材料表面变得更加平滑，使金属表面产生塑性形变，提高工件表面的耐久性，也在一定程度上提高工件表明的抗疲劳性。

有相关科学家曾经提出过无磨粒的超声抛光技术和超声波辅助抛光技术，他们的操作机理和超声挤压技术有着一定的相似之处，所以超声挤压技术能够使工件均匀受力，还能够提高工件的稳定性，这一技术的应用能够有效提高零件的质量和使用效果。所以这一技术被我国军事行业和一些精细制造行业广泛应用，用来加工一些精细度和难度较高的零件。

但是一些其他因素也会影响到超声振动挤压技术的应用效果，例如，设置挤压次数、挤压速度和受挤压的力是否合适，机器的振动频率、机器的振幅以及工具头的球面平滑度等参数也会使使用效果产生差异。

我国相关学者曾针对影响超声波挤压技术加工效果的因素进行分析和研究，运用控制变量的方法，最终寻找到影响加工效果因素。近些年来，我国在超声波挤压技术的研究和应用上已经有了显著成效，而且这一技术在我国的发展也较为迅速，但是仍然存在着较大的发展空间。我国相关科学家针对超声振动技术在其它领域的应用进行研究，还发现了诸多的规律。

4 超声滚强化与滚光技术

传统的滚压技术是运用工具头上的净压力使材料表面产生塑性形变，形成残余压应力，以提高零件的抗疲劳性。滚压加工已经在我国工业行业当中获得广泛应用，而且我国科学家针对这一技术也开展了大量的研究工作。但是在滚压强化处理过程中，如果施加过大的静压力在工具头上就会对零件表面造成撕裂和划伤，而且会形成残余切应力，也对薄壁零件的处理产生阻碍。

超声滚强化技术和滚光技术与传统技术存在较大的差异，传统技术主要运用工具头对材料的压力和作用力，使材料发生塑性形变，使材料的表面变得更加平滑，提高零件的耐疲劳性和零件的使用效果。

这种滚压的加工技术在工业品加工领域当中应用较为广泛，而且我国在这一技术上做出了诸多的研究。经过研究表明，UDR处理降低了电弧喷涂3Cr13涂层表面的粗糙度，使其硬度提高了45%，也大大降低了孔隙率，使涂层产生了残余压应力。但是，在滚压强化过程中，工具头上的静压机参数设置出现问题，那么就会使零件表面被划伤，还会在很大程度上损伤零件，降低材料的质量和使用性能。

5 研究结论

本文针对近些年来的金属材料超声表面强化技术的应用和发展进行了一定的总结、和回顾，并且根据这些内容提出了进一步的发展方向和研究方向，具体方向为以下几点：

（1）针对金属材料的超声表面处理自身纳米化机制进行深入的分析和研究，还要进行纳米化组织和相变动力学的高温稳定性等机理进行进一步研究。

（2）针对金属材料超声表面处理对抗应力腐蚀、材料抗腐蚀以及化学热处理工艺等性能影响进行深入研究和分析。

（3）针对超声表面强化技术对材料微动疲劳、腐蚀疲劳和接触疲劳性能影响进行深入分析和研究。

（4）针对金属材料超声表面处理中应力波的超声诱导塑性和对位错运动及其传播进行深入分析和探索。

（5）针对超声表面强化技术在材料制备和材料表面领域进行深入分析和研究。

6 结语

总体而言，在工业产品当中，工业零件与人的细胞一样，零件的质量和产生的质量有着密不可分的联系。当前，工业产品在不断的应用，所以工业零件也就在不断的消耗和磨损。经过消耗和磨损的零件不仅会在很大程度上降低工业机器的使用效果和使用寿命，还会增加机器的能量消耗。使用超声波表面处理技术能够在极大程度上提高零件的使用寿命，降低零件的损耗。所以，我国应该提高对这方面技术的重视和研究，使其在工业领域内更广泛的应用。