切削法制備超細(xì)晶材料研究進(jìn)展與展望

焦鋒，孫海猛，牛贏，李成龍，王壯飛

切削法制備超細(xì)晶材料研究進(jìn)展與展望

焦鋒，孫海猛，牛贏，李成龍，王壯飛

（河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

綜述了切削法制備超細(xì)晶材料時(shí)加工參數(shù)和工藝條件對(duì)晶粒細(xì)化的影響，分析了切削法制備超細(xì)晶材料的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和熱穩(wěn)定性等，探討了超聲振動(dòng)復(fù)合切削法制備超細(xì)晶材料的可能性。在超聲振動(dòng)加工中，材料受低應(yīng)力高速、高頻撞擊的影響，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，表面大尺寸的晶粒得到細(xì)化，同時(shí)超聲振動(dòng)還可以在材料表面形成表面微結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善材料性能。因而提出將切削法和超聲振動(dòng)相復(fù)合，高效制備具有功能微結(jié)構(gòu)的超細(xì)晶材料，為微型零件超細(xì)晶材料制備提供新的工藝選擇以及理論和技術(shù)支撐。

切削；超聲振動(dòng)；晶粒細(xì)化；微結(jié)構(gòu)；材料性能

微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）在現(xiàn)代工業(yè)中占有重要的角色，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療、電子通訊及航空航天等領(lǐng)域。MEMS的迅速崛起，推動(dòng)了當(dāng)前工業(yè)向小型化、微型化的方向發(fā)展[1]。目前，制備微機(jī)電系統(tǒng)材料的加工技術(shù)主要有微細(xì)機(jī)械加工（Micro-Machining）、激光技術(shù)（Laser Technology）、LIGA技術(shù)及準(zhǔn)LIGA技術(shù)等，但是這些技術(shù)都存在制造成本較高和加工效率低的缺點(diǎn)，限制了這些工藝的應(yīng)用。相對(duì)于微細(xì)加工技術(shù)，通過金屬塑性變形加工微零件材料，在成本控制、加工效率和尺寸精度控制方面有較大優(yōu)勢(shì)。但是，金屬塑性變形加工微型零件材料時(shí)，材料的平均晶粒尺寸一般超過10 μm，與大多數(shù)微小零件的特征尺寸在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，將產(chǎn)生尺寸效應(yīng)，影響零部件最終的尺寸精度和使用壽命[2]。

超細(xì)晶材料（Ultra-Fine Grained，UFG，晶粒尺寸為100 nm～1 μm）因?yàn)榫哂袃?yōu)異的性能得到廣泛的關(guān)注，如果將超細(xì)晶材料應(yīng)用于MEMS中，其整體性能將得到提高[3]。目前塊體超細(xì)晶材料制取方法主要有溶膠-凝膠自組裝技術(shù)、惰性氣體冷凝法、電化學(xué)沉積法、射頻濺射法等，但是這些方法的超細(xì)顆粒在團(tuán)聚過程中會(huì)不可避免地污染環(huán)境與設(shè)備，而且致密化后存在諸如孔洞等大量宏觀缺陷；另外，成形過程繁雜，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用成本較高[4]。大塑性變形法（Severe Plastic Deformation，SPD）制備的超細(xì)晶材料能夠顯著改善金屬及合金的致密度，消除其內(nèi)部缺陷，不易引入孔隙和污染。常見的SPD方法主要有等通道轉(zhuǎn)角擠壓（Equal Channel Angular Pressing，ECAP）[5]、高壓扭轉(zhuǎn)（High Pressure Torsion，HPT）[6]、累積疊軋（Accumulative Roll Bonding，ARB）[7]、攪拌摩擦（Friction Stir Processing，F(xiàn)SP）[8]等技術(shù)。SPD技術(shù)通過施加較大的剪切應(yīng)變，可以有效地細(xì)化材料內(nèi)部組織，制備出具有大角度晶界的超細(xì)晶材料，其晶粒尺寸可以細(xì)化至幾百納米。

隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)SPD技術(shù)存在不少局限性。首先，傳統(tǒng)SPD方法僅限于小應(yīng)變率加工（<102s–1），通常變形區(qū)溫度也很低。其次，由于成形設(shè)備的限制，中高強(qiáng)度合金在接近環(huán)境溫度和小變形率下很難變形。最后，需要多次變形才能產(chǎn)生較大的應(yīng)變，導(dǎo)致變形參數(shù)（如應(yīng)變和應(yīng)變率）和變形路徑的控制存在不確定性[9]。

相比較而言，大應(yīng)變擠壓切削法（Large Strain Extrusion Machining，LSEM）[10]是通過2次劇烈塑性變形促使晶粒的破碎和細(xì)化，可以控制切屑形成一條平整的帶材或板材。其本質(zhì)是塑性變形誘導(dǎo)晶粒內(nèi)部位錯(cuò)大量增殖、湮滅、重組及其交互作用，形成大量亞晶界和晶界，原始粗晶逐步分裂為亞晶粒，亞晶粒進(jìn)一步破碎形成超細(xì)晶或納米晶[11]。已有研究表明，在切削加工過程中，單個(gè)變形階段，塑性變形的應(yīng)變可達(dá)13左右，應(yīng)變率可達(dá)106s–1，既達(dá)到了SPD標(biāo)準(zhǔn)，又達(dá)到了動(dòng)態(tài)塑性變形標(biāo)準(zhǔn)，屬于典型的劇烈塑性變形過程。若工藝控制適當(dāng)，切削加工能夠滿足材料晶粒細(xì)化的條件[12]。

由于對(duì)高性能材料日趨高漲的需求，超聲振動(dòng)復(fù)合加工技術(shù)的研究和應(yīng)用越來越多。超聲振動(dòng)因具有出色的輔助加工能力，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于磨削、切削、銑削和鉆削等技術(shù)，并開始向超聲ELID復(fù)合磨削、超聲EDM復(fù)合加工和三維超聲橢圓振動(dòng)技術(shù)等方向發(fā)展。如果將超聲輔助加工工藝與傳統(tǒng)的SPD方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多工藝加工方法復(fù)合，則會(huì)在一定程度上改善加工工藝和制造過程，使材料表面質(zhì)量、微觀形貌、表面完整性和疲勞性能發(fā)生顯著變化[13]。例如，相比常規(guī)ECAP，間歇超聲輔助等通道轉(zhuǎn)角擠壓（Intermittent Ultrasonic Equal Channel Angular Pres-sing，IU-ECAP）制備的超細(xì)晶材料具有更均勻的組織和更小的晶粒，材料的硬度和極限拉應(yīng)力得到增強(qiáng)，具有更好的熱穩(wěn)定性[14-15]。因此，本文提出了切削法和超聲振動(dòng)復(fù)合制備超細(xì)晶材料。

本文重點(diǎn)介紹了近年來切削法制備高性能金屬材料的重要研究進(jìn)展，主要包括切削法制備超細(xì)晶材料時(shí)加工參數(shù)和工藝條件對(duì)晶粒細(xì)化的影響，分析了切削法制備超細(xì)晶材料的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和熱穩(wěn)定性等，探討了超聲振動(dòng)復(fù)合切削法制備超細(xì)晶材料的可能性。文獻(xiàn)表明，在超聲振動(dòng)加工中，材料表面大尺寸的晶粒得到細(xì)化，材料性能得到改善。如果將切削法和超聲振動(dòng)相復(fù)合，制備的材料的綜合性能會(huì)再次提升，打破傳統(tǒng)SPD方法的強(qiáng)化極限，該技術(shù)必將成為新加工工藝的研究熱點(diǎn)。

1 切削法制備超細(xì)晶材料的影響因素

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)切削法制備超細(xì)晶材料進(jìn)行了廣泛研究，并取得了重要成果。目前，大應(yīng)變擠壓切削法（LSEM）已經(jīng)應(yīng)用于面心立方結(jié)構(gòu)的金屬及其合金（鋁和鋁合金、銅和銅合金等）和密排六方金屬（鎂合金和鈦合金）等的加工[16-17]。關(guān)于LSEM的研究成果主要集中在以下幾個(gè)方面：LSEM制備超細(xì)晶材料的工藝機(jī)理；加工參數(shù)對(duì)成形材料晶粒大小的影響；LSEM制備的材料性能檢測(cè)；組合刀具形狀及姿態(tài)對(duì)材料表面形貌的影響；超細(xì)晶材料的再加工利用。

針對(duì)大應(yīng)變擠壓切削法制備超細(xì)晶材料的研究現(xiàn)狀，本文從切屑厚度壓縮比、刀具前角、冷卻條件和刀具表面微溝槽等方面對(duì)超細(xì)晶材料微觀組織變化和力學(xué)性能的影響進(jìn)行綜述。

1.1 切屑厚度壓縮比λ和刀具前角α

大應(yīng)變擠壓切削法之所以能產(chǎn)生近似純剪切的塑性變形，主要是刀具前角和切屑厚度壓縮比共同作用的結(jié)果[18-22]。LSEM由切削刀具和限制塊（刀具）2部分組成，切削刀具通過前刀面的剪切和摩擦使切屑受到劇烈塑性變形，實(shí)現(xiàn)工件材料與基體分離。切屑沿著切削刀具前刀面和限制塊（刀具）形成的擠壓通道流出，在擠壓摩擦作用下，切屑材料產(chǎn)生第二次劇烈塑性變形。2次劇烈塑性變形在微觀上引起晶粒的破碎和細(xì)化，在宏觀上控制切屑形成一條平整的帶材或板材，其加工原理如圖1所示[23]。Chiffre[10]通過試驗(yàn)推導(dǎo)得出總剪切應(yīng)變與刀具前角、切屑厚度壓縮比的關(guān)系為：

式中：=c/0，c為切屑厚度；0為待切削厚度。

圖1 大應(yīng)變擠壓切削法原理[23]

Fig.1 Schematic diagram of LSEM[23]

圖2 剪切應(yīng)變隨切屑厚度比和前角的變化[24]

梁土榮等[25]采用LSEM制備超細(xì)晶AZ31鎂合金帶材，分析了帶材的微觀組織和材料性能。結(jié)果表明，當(dāng)=1.0時(shí)，晶粒從原始的20～40 μm細(xì)化到5～10 μm，同時(shí)出現(xiàn)較多的超細(xì)晶粒，維氏硬度從51.6HV增加到68.9HV；當(dāng)=0.5時(shí)，晶粒進(jìn)一步細(xì)化到3～6 μm，且分布均勻，但維氏硬度下降至67.7HV。Moradi等[26]對(duì)鎳合金進(jìn)行平面應(yīng)變加工（Plane Strain Machining，PSM）和大應(yīng)變擠壓切削法加工，證明了LSEM對(duì)加工表面微結(jié)構(gòu)的實(shí)用性，同時(shí)增強(qiáng)了對(duì)晶粒細(xì)化區(qū)厚度的控制。利用紅外熱成像對(duì)LSEM試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量，隨著的減小，LSEM變形區(qū)的溫度會(huì)升高，如圖3所示。采用取向成像顯微技術(shù)（Orientation Imaging Microscopy，OIM）對(duì)PSM和LSEM加工材料橫截面進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，PSM、LSEM（=1.8）和LSEM（=0.8）在加工材料表面下分別產(chǎn)生(20±3) μm、(44±5) μm和(59±5) μm的UFG組織厚度，如圖4所示。同時(shí)，LSEM產(chǎn)生的材料表面具有較高的硬度，通過減小，硬度增加區(qū)域也會(huì)變大。

圖3 變形區(qū)溫升的紅外熱成像表征[26]

圖4 表面微結(jié)構(gòu)的取向成像顯微技術(shù)[26]

大量研究表明，通過改變LSEM的切屑厚度壓縮比獲得不同加工應(yīng)變來制備超細(xì)晶材料的想法是可行的。但是，LSEM中切屑厚度壓縮比是有上限的，如果擠削組合刀具的通道寬度大于普通帶材的寬度，限制刀具將不再起作用，LSEM就會(huì)退變?yōu)槠胀ㄇ邢鳌?/p>

Deng等[27]研究了LSEM中刀具前角對(duì)純銅切屑組織和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)?shù)毒咔敖菫?°或10°時(shí)，等軸晶粒尺寸為0.2～1 μm，平均尺寸約為0.5 μm。刀具前角為5°時(shí)，切屑晶粒略小于刀具前角為10°時(shí)。當(dāng)?shù)毒咔敖菫?0°和30°時(shí)，切屑晶粒尺寸變大，為1～10 μm。鄒志杰等[28]利用不同前角的刀具對(duì)純銅材料進(jìn)行加工，結(jié)果表明，當(dāng)?shù)毒咔敖菫?0°時(shí)，純銅材料晶粒由約100 μm粗晶細(xì)化至亞微米級(jí)，且晶粒被拉長，宏觀硬度提升了約62%；刀具前角為10°時(shí)，晶粒進(jìn)一步細(xì)化為等軸超細(xì)晶，甚至材料部分出現(xiàn)納米晶，宏觀硬度提升了約76%，如圖5所示。同時(shí)，前角越小，開始再結(jié)晶溫度越低，再結(jié)晶時(shí)晶粒越小，切屑硬度值越高。

圖5 純銅原始組織和不同刀具前角時(shí)切屑的微觀形貌[28]

Fig.5 Original microstructure of pure copper (a),Chip by 30° rake angle tool (b) and chip by 10° rake angle tool (c)[28]

刀具幾何角度很大程度決定了刀具加工性能的好壞，正確選擇刀具幾何角度可以減少加工中振動(dòng)和過載的可能性，延長刀具及設(shè)備的使用壽命，降低能耗等。在LSEM中，刀具前角作為切削加工中重要的幾何參數(shù)之一，其對(duì)晶粒細(xì)化和材料性能等有很大的影響。

1.2 冷卻條件

材料在超低溫條件下與室溫條件下的力學(xué)性能有很大差異，如鋁合金[29]、銅合金[30]、鈦合金[31]和某些特殊鋼鐵材料[32]，它們?cè)诔蜏貤l件下具有比室溫中更高的強(qiáng)度和更加優(yōu)異的韌性。6061鋁合金、純銅、高錳鋼、納米晶純鈦4種材料在室溫（Room Temperature，RT）和超低溫（Cryogenic Temperature，CT）環(huán)境下拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示[33]，如果利用材料在超低溫條件下的物理性能進(jìn)行LSEM，可以獲得性能更加優(yōu)異的超細(xì)晶帶材。

圖6 4種典型金屬材料在室溫和超低溫環(huán)境下拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[33]

殷曉龍等[34-35]在超低溫（CT，加工前將工件浸入液氮浴中）和室溫（RT）條件下對(duì)7075鋁合金進(jìn)行LSEM試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2種條件下加工結(jié)果表現(xiàn)得截然不同，溫度對(duì)微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重要影響。CT-LSEM制備的切屑比RT-LSEM切屑的表面更加光滑，只有細(xì)小的裂紋可見，具有更好的形態(tài)完整性，如圖7所示。RT-LSEM和CT-LSEM制備的7075鋁合金切屑平均晶粒尺寸分別為175 nm和170 nm，如圖8所示。

圖7 大應(yīng)變擠壓切削法低溫和室溫條件下7075鋁合金切屑及其形態(tài)差異[34]

圖8 大應(yīng)變擠壓切削法低溫和室溫下7075鋁合金樣品的晶粒/亞晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)分布[34]

Bertolini等[23]設(shè)計(jì)了一種特殊的LSEM裝置，該裝置通過高真空絕緣管將液氮輸送到切削區(qū)，研究不同加工參數(shù)下LSEM制備的切屑表面完整性和晶粒細(xì)化，如圖9所示。當(dāng)切削速度從30 m/min提高到120 m/min時(shí)，AZ61鎂合金UFG層厚度也從(27.7±4) μm增至(33.9±6) μm；當(dāng)切削速度為120 m/min，冷卻條件分別為Dry和Cryogenic時(shí)，Cryogenic條件下的UFG層厚度為(45±4) μm，同比提高了約27.82%。結(jié)果表明，提高切削速度可以增加切屑UFG層厚度。同時(shí)，無論采用何種切削速度，低溫冷卻應(yīng)用于LSEM加工時(shí)都可以使切屑表面具有更大的晶粒細(xì)化和擴(kuò)展的SPD變形層。

圖9 車床上安裝的低溫LSEM試驗(yàn)裝置 [23]

由于在超低溫變形過程中位錯(cuò)的增殖和積累使材料的加工硬化能力提高，使合金有了良好的超低溫塑性加工能力，延展性也因此改善。但是，在常溫變形過程中材料變形和摩擦作用會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，在動(dòng)態(tài)回復(fù)的作用下產(chǎn)生位錯(cuò)湮滅，位錯(cuò)密度和位錯(cuò)累積能力下降，加工硬化能力和延展性也因此變差[36]。

1.3 刀具表面微溝槽

切削成形是一種新穎的切屑成形工藝，在刀具的表面制備不同類型的微溝槽會(huì)使切屑表面產(chǎn)生具有減阻、抗振、耐磨和降噪等特性的微結(jié)構(gòu)。在切削過程中，將原本是廢料的切屑直接制備成為工業(yè)需求的帶材，具有低污染、高效率、工藝簡單和應(yīng)用價(jià)值大等優(yōu)點(diǎn)。

Kim等[37]在刀具的前刀面制備了微溝槽，研究了不同結(jié)構(gòu)形狀的微溝槽對(duì)切削成形的影響。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整微溝槽的幾何參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)切屑形貌的控制。何迪[38]采用LSEM技術(shù)，通過在限制刀具預(yù)制溝槽，制備出了具有溝槽結(jié)構(gòu)的超細(xì)晶純銅成形切屑，如圖10所示。這表明合理地設(shè)計(jì)限制刀具與切屑接觸部分的結(jié)構(gòu)，能影響切削的成形結(jié)果。Aoki等[39]提出了一種既不破壞切屑，又克服切屑堵塞，提高傳統(tǒng)車削作業(yè)效率的新方法。在刀具前刀面上雕刻“溝槽”，通過優(yōu)化溝槽形貌，對(duì)不同切削加工條件下的切屑流動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以減小前刀面的摩擦力，提高切削性能。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)超細(xì)晶材料制備和切屑回收利用等課題[40-41]，采用復(fù)合切削方法制備金屬帶材的工藝，制備了初步規(guī)整的切屑帶材，得出了切削工藝參數(shù)與切屑變形之間的聯(lián)系，獲得的再生材料的力學(xué)性能要高于鑄造材料，并將再生的超細(xì)晶材料制成了微型零件，取得了豐碩的研究成果，證明了切削技術(shù)在切屑成形領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢(shì)。

圖10 超細(xì)晶純銅成形切屑[38]

2 切削法制備超細(xì)晶材料的性能研究

隨著航空航天、生物醫(yī)療、電子通訊和軍事裝備等行業(yè)對(duì)金屬材料性能提出的要求越來越高，人們?cè)诓粩鄬ふ腋咝阅懿牧霞捌渲苽浞椒▉頋M足當(dāng)前日趨高漲的需求。超細(xì)晶材料因?yàn)榫Я＜?xì)小、位錯(cuò)高和缺陷密度低而備受關(guān)注，其物理化學(xué)性能往往優(yōu)于傳統(tǒng)的粗晶金屬材料。本文將從切削法制備超細(xì)晶材料的腐蝕性能、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性3方面進(jìn)行綜述。

2.1 腐蝕性能

近年來，高強(qiáng)度工業(yè)純鈦和鎂合金等材料在醫(yī)療金屬材料領(lǐng)域的需求越來越大，但是由于植入物在生理環(huán)境中耐腐蝕性差及腐蝕時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣泡導(dǎo)致過早的失效，在很大程度上限制了它們的臨床應(yīng)用。因此，近年來醫(yī)療金屬材料的研究主要集中在如何減小腐蝕降解速率方面。SPD提供了一種有效提高材料腐蝕性能的方法，通過改變材料的表面完整性，如晶粒尺寸、殘余應(yīng)力和晶體取向[42]等控制材料的降解速率。但是，傳統(tǒng)的SPD技術(shù)需要在變形通道內(nèi)多次加工才能使材料中積累較大的應(yīng)變，也需要合適的加工路徑來細(xì)化材料的微觀組織，才能使晶粒成為超細(xì)晶粒[43-45]。

Kim等[46]研究發(fā)現(xiàn)，晶粒細(xì)化對(duì)抗晶間腐蝕存在有利作用，其觀察到納米晶鎳的表面光滑，晶界穿透率較小，抗晶間腐蝕能力顯著增強(qiáng)。隨后Klocke等[47]和Deng等[48]對(duì)超細(xì)晶材料的腐蝕性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)LSEM制備的超細(xì)晶材料與普通粗晶金屬材料相比，大多數(shù)都存在能量穩(wěn)定的晶界，這些組織使其具有更強(qiáng)的耐腐蝕性能。Bertolini等[23]設(shè)計(jì)了一種特殊的LSEM裝置，該裝置采用高真空絕緣管將液氮輸送到切削區(qū)，通過動(dòng)電位極化技術(shù)研究切屑的耐腐蝕性。結(jié)果表明，LSEM技術(shù)顯著提高了AZ61鎂合金的耐蝕性，與基體材料相比，LSEM試樣的腐蝕曲線向更高的值移動(dòng)，同時(shí)與干式擠壓切削相比，低溫?cái)D壓切削可增強(qiáng)鎂合金材料的耐腐蝕性。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)LSEM切屑進(jìn)行了電化學(xué)腐蝕測(cè)試，通過對(duì)比動(dòng)電位極化曲線，得出超細(xì)晶材料具有更強(qiáng)的耐腐蝕性，但對(duì)提高超細(xì)晶材料耐腐蝕性的機(jī)理還需進(jìn)一步研究。

2.2 力學(xué)性能

傳統(tǒng)SPD方法加工的材料晶粒被細(xì)化至亞微米級(jí)/納米級(jí)，塑性會(huì)出現(xiàn)下降，這對(duì)于后續(xù)加工和變形是不利的[49-51]。Wang等[52]對(duì)納米銅的應(yīng)變硬化和塑性行為進(jìn)行了研究，認(rèn)為變形過程中位錯(cuò)與晶界相互作用引起的動(dòng)態(tài)回復(fù)效應(yīng)致使位錯(cuò)密度降低，從而引起應(yīng)變硬化能力下降，最終導(dǎo)致塑性降低。隨后，Wang等[53]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SPD工藝制備的超細(xì)晶金屬具有很高的初始位錯(cuò)密度（甚至達(dá)到飽和），使得加工硬化率降低和塑性變形減小。

Sharma等[54]采用LSEM制備Al-6063超細(xì)晶合金帶材，分析發(fā)現(xiàn)，LSEM制備超細(xì)晶帶材時(shí)晶粒尺寸隨著應(yīng)變水平的提高而減小，加工后的帶材硬度可提高34%～97%。Iglesias等[55]研究了LSEM制備的超細(xì)晶高導(dǎo)無氧（Oxygen-Free High-Conductivity，OFHC）銅切屑的摩擦磨損性能。結(jié)果表明，LSEM制備的納米晶銅切屑比普通切削制備的切屑，耐磨性能更為優(yōu)異，通過大應(yīng)變擠壓切削法可以生產(chǎn)具有方向依賴性和耐磨性的材料。

通過國內(nèi)外學(xué)者的研究可以發(fā)現(xiàn)，材料在經(jīng)過細(xì)化之后，其摩擦磨損性能和硬度都得到了大幅度的提升。但是，當(dāng)晶粒細(xì)化到幾微米時(shí)，若再進(jìn)一步細(xì)化，材料的塑性變形能力會(huì)顯著降低。

2.3 熱穩(wěn)定性

組織穩(wěn)定性對(duì)于超細(xì)晶材料非常重要，若晶粒長大，超細(xì)晶材料就會(huì)失去其優(yōu)越的力學(xué)性能。通常，通過對(duì)比不同溫度退火后材料的顯微硬度和力學(xué)性能來研究其熱穩(wěn)定性[56]。

在較大的溫度范圍內(nèi)，對(duì)LSEM制備的切屑進(jìn)行退火處理，觀察合金在退火前后切屑的顯微組織。結(jié)果表明，超細(xì)晶材料能夠有效固定晶界，使熱處理后的合金具有高達(dá)1 870 MPa的室溫拉伸屈服強(qiáng)度，證實(shí)了超細(xì)晶材料具有較高的熱穩(wěn)定性[57-58]。

Deng等[59]和Wu等[60]將LSEM制備的超細(xì)晶純銅材料在不同溫度下進(jìn)行熱處理，研究其熱穩(wěn)定性，材料微觀結(jié)構(gòu)的EBSD反極圖（Inverse Pole Figure，IPF）如圖11所示。結(jié)果表明，在160 ℃退火時(shí)，切屑的晶粒尺寸約為0.789 μm；在160～280 ℃退火時(shí)，隨著退火溫度的升高，切屑的晶粒尺寸迅速增大；當(dāng)溫度達(dá)到280 ℃時(shí)，切屑的平均晶粒尺寸達(dá)到2.14 μm；此后，溫度分別升高到320 ℃和360 ℃，晶粒尺寸分別增長至3.6 μm和4.0 μm。當(dāng)溫度從160℃上升到360 ℃時(shí)，純銅切屑的硬度也從145HV逐漸減小至61HV。結(jié)果表明，UFG純銅切屑在低于160 ℃的溫度下具有良好的熱穩(wěn)定性，材料的熱穩(wěn)定性與晶粒的大小緊密相關(guān)。

圖11 純銅切屑在不同溫度下的反極圖（IPF）[60]

3 超聲振動(dòng)對(duì)加工材料的影響研究現(xiàn)狀

在超聲振動(dòng)加工中，對(duì)刀具或工件施加高頻微幅振動(dòng)，使其在接觸瞬間能量聚集，被加工材料的局部受到巨大的沖擊力，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，受到?jīng)_擊后，表面大尺寸晶粒會(huì)被細(xì)化。刀具以超聲頻率進(jìn)行的周期性振動(dòng)，會(huì)在切屑加工表面留下獨(dú)特的表面紋理，這種微觀紋理的形狀及排列會(huì)隨著加工參數(shù)和振動(dòng)參數(shù)的變化發(fā)生相應(yīng)的改變。由于不同切屑微結(jié)構(gòu)具有不同的表面特性，因此超聲振動(dòng)加工制備微結(jié)構(gòu)的精確控制成為研究的一個(gè)重點(diǎn)。超聲振動(dòng)使切屑材料的力學(xué)性能和切削加工性能發(fā)生改變，使切屑的表面質(zhì)量和可靠性顯著提高。

3.1 晶粒細(xì)化

自20世紀(jì)60年代以來，超聲波輔助塑性加工已經(jīng)開始應(yīng)用于金屬成形工藝。超聲振動(dòng)加工是利用高頻超聲振動(dòng)以低應(yīng)力高速、高頻沖擊試件表面，當(dāng)材料表面受到?jīng)_擊時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，表面大尺寸的晶粒經(jīng)過沖擊后得到細(xì)化[61-62]。Ahamadi等[63]設(shè)計(jì)了一套ECAP系統(tǒng)，其沖頭可以由超聲波振動(dòng)激勵(lì)。研究結(jié)果表明，常規(guī)ECAP加工后的純鋁樣品晶粒細(xì)化至45 μm，而采用2.5 μm和5 μm的超聲振幅加工后，純鋁樣品的晶粒分別細(xì)化至28.2 μm和22 μm，即在ECAP加工過程中疊加超聲振動(dòng)可以提高加工材料的晶粒細(xì)化效率。隨后，Ahamadi等[64]進(jìn)一步研究了施加超聲振動(dòng)后在材料上引起超聲軟化的主要原因，發(fā)現(xiàn)當(dāng)ECAP加入超聲振動(dòng)后，所有試樣的屈服應(yīng)力均有所降低。當(dāng)材料的最大晶粒尺寸為109 μm時(shí)，屈服應(yīng)力降低了66%；最小晶粒尺寸為0.97 μm時(shí)，屈服應(yīng)力降低了11.3%，屈服應(yīng)力的降低與晶粒尺寸有關(guān)。

程明龍等[65]對(duì)45號(hào)鋼進(jìn)行了超聲振動(dòng)滾壓試驗(yàn)，與普通滾壓相比，超聲振動(dòng)滾壓能夠在零件表層產(chǎn)生特有的“疊層纖維”狀組織，有效細(xì)化了零件表面組織。超聲振幅越大，越有利于形成“疊層纖維”組織，而且產(chǎn)生的纖維寬度越細(xì)。當(dāng)振幅=0 μm時(shí)，只有最表層的晶粒發(fā)生了部分流變現(xiàn)象，隨著超聲振幅的增加，沿深度方向發(fā)生流變現(xiàn)象的組織越來越多。當(dāng)振幅從0 μm增加到6 μm時(shí)，流變組織深度從17 μm增加到53.5 μm。Liu等[66]研究了超聲表面滾壓技術(shù)（Ultrasonic Surface Rolling Process，USRP）對(duì)40Cr表面微觀結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)顯微觀察發(fā)現(xiàn)，40Cr表面經(jīng)過12次超聲表面滾壓后可以得到晶粒尺寸為3～7 nm的納米結(jié)構(gòu)層，塑性流動(dòng)深度可達(dá)150 μm，變形程度呈現(xiàn)從試樣表面到材料內(nèi)部的梯度分布，其橫截面SEM如圖12所示。

圖12 超聲表面滾壓后40Cr的橫截面SEM圖像[66]

研究表明，在相同條件下，通過加入超聲波振動(dòng)，切屑表面的晶粒細(xì)化程度更大，同時(shí)會(huì)在材料表層形成更厚的納米結(jié)構(gòu)層，超聲振動(dòng)與SPD方法復(fù)合可以獲得傳統(tǒng)加工無法達(dá)到的效果。

3.2 微結(jié)構(gòu)創(chuàng)成

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，具有微結(jié)構(gòu)的特殊表面在減阻、抗振、減粘、脫附、耐磨、降噪等方面顯示出良好的應(yīng)用前景，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、國防、生物工程、精密機(jī)械和高端裝備等領(lǐng)域。目前常規(guī)的微結(jié)構(gòu)表面加工方法較為復(fù)雜或需要二次加工，應(yīng)用仍存在一些困難，而超聲振動(dòng)可以在材料表面形成特殊的微結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善材料性能，具有操作簡單、單次成形和精確控制等特點(diǎn)。

超聲振動(dòng)加工表面微結(jié)構(gòu)時(shí)，通過在刀具施加高頻微幅振動(dòng)來改變切削運(yùn)動(dòng)軌跡，可以直接在工件表面加工出具有一定幾何形狀和分布規(guī)律的微結(jié)構(gòu)表面，包括微凹坑表面、微凹槽表面、魚鱗狀表面以及復(fù)雜的分層微結(jié)構(gòu)表面等。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)刀具參數(shù)（刀具后角、切削刃圓角半徑等）、振動(dòng)參數(shù)（超聲振幅、振動(dòng)頻率、振動(dòng)方向等）、切削參數(shù)（進(jìn)給量、切削速度等）以及刀具材料對(duì)表面微凹坑形狀、尺寸和分布狀態(tài)的影響進(jìn)行了大量研究，論證了超聲振動(dòng)在微結(jié)構(gòu)創(chuàng)成方面的可行性[67]。

基于超聲輔助加工系統(tǒng)，Brehl等[68]采用刀尖角度為70°的刀具加工高度為8 μm的正三面體，如圖13a所示。Zhu等[69]采用超聲振動(dòng)在硬質(zhì)合金刀具的前刀面制備成形微結(jié)構(gòu)，如圖13b所示。Kim等[70]提出橢圓超聲成形微結(jié)構(gòu)工藝，成功制備出深度為25 μm的V型微槽和高度為10 μm的微金字塔陣列，如圖13c所示。Suzuki等[71]采用橢圓超聲振動(dòng)技術(shù)，調(diào)整超聲振動(dòng)的頻率、振幅雕刻出不同幾何形狀的微結(jié)構(gòu)，如圖13d所示。在國內(nèi)，Zhou等[72]提出一種雙頻橢圓振動(dòng)切削方法，在模具鋼工件上創(chuàng)成了多種復(fù)雜的諧波網(wǎng)格曲面，如圖13e所示。趙波等[73]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)切削可以加工出波紋狀表面紋理，如圖13f所示。Tao等[74]采用超聲輔助車削的方法，通過調(diào)整超聲振動(dòng)方向與工件的相對(duì)位置關(guān)系，形成了特定的微觀結(jié)構(gòu)。陶國燦[75]建立了進(jìn)給方向超聲振動(dòng)輔助銑削表面加工模型，研究表明，進(jìn)給方向超聲振動(dòng)輔助銑削會(huì)在加工表面形成相互堆疊的魚鱗狀紋理表面。

3.3 加工材料性能

傳統(tǒng)SPD技術(shù)制備的超細(xì)晶金屬中具有很高的初始位錯(cuò)密度（甚至達(dá)到飽和），從而使得加工硬化率降低和塑性變形減小。如果在傳統(tǒng)SPD中加入超聲振動(dòng)，當(dāng)超聲振動(dòng)傳播引起的峰值應(yīng)力超過材料的屈服應(yīng)力時(shí)，位錯(cuò)密度會(huì)呈線性增加。當(dāng)位錯(cuò)密度足夠高時(shí)，就會(huì)發(fā)生位錯(cuò)排列，材料塑性增強(qiáng)。Pal等[76]證明了超聲振動(dòng)可以增加位錯(cuò)密度。Siddiq等[77]報(bào)道了一種基于晶體塑性的有限元模型，該模型考慮了金屬在超聲輔助變形過程中的聲軟化。該模型能夠捕捉超聲軟化效應(yīng)，并證明了塑性變形隨超聲強(qiáng)度的增大而增加。

圖13 超聲振動(dòng)加工表面微觀結(jié)構(gòu)[68-73]

Abrinia等[78]采用超聲振動(dòng)等通道轉(zhuǎn)角擠壓法（Ultrasonic Vibration-Equal Channel Angular Pres-sing，UV-ECAP）加工AA-1050工業(yè)鋁，研究發(fā)現(xiàn)，在UV-ECAP工藝中施加頻率為20 kHz、振幅為15 μm的超聲振動(dòng)，所需載荷降低了31%，消除了ECAP過程中的折疊缺陷。與常規(guī)ECAP相比，UV-ECAP的最大塑性應(yīng)變和平均等效塑性應(yīng)變分別增加了33%和58%。Djavanroodi等[79]將ECAP和超聲振動(dòng)相結(jié)合，用于純鋁試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加入超聲振動(dòng)后，可使ECAP成形力降低9%，增大振動(dòng)幅值或頻率可降低ECAP成形力，且振幅比頻率更能有效降低成形載荷。

Ahamadi等[63]研究了縱向超聲振動(dòng)對(duì)ECAP過程的影響，結(jié)果表明，當(dāng)振幅為2.5 μm和5 μm時(shí)，顯微組織的均勻性分別提高了26.7%和37.1%，超聲輔助ECAP使材料組織更加均勻。同時(shí)，從表1可以看出，在超聲振動(dòng)作用下，單次ECAP的屈服應(yīng)力和極限強(qiáng)度隨振動(dòng)幅值的增加而變大。

表1 工業(yè)純鋁屈服應(yīng)力和極限強(qiáng)度對(duì)比[63]

Tab.1 Comparison for yield stress and ultimate strength of industrial pure aluminum[63]

張新華等[80]分別采用噴丸和超聲噴丸2種工藝對(duì)7075-T651鋁合金進(jìn)行處理，通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，超聲噴丸加工后，材料的表面粗糙度大幅度降低，粗糙度值約為普通噴丸的35.5%，超聲噴丸加工后的表面硬化程度增加了約31.9%。Liu等[66]發(fā)現(xiàn)，超聲表面滾壓技術(shù)（USRP）可以使加工材料的表面粗糙度值降低到0.06 mm，表面硬度提高52.6%，殘余壓應(yīng)力可以達(dá)到846 MPa，有效深度約為1.4 mm。尹飛等[81]和鄧云發(fā)等[82]分析了超聲振動(dòng)加工后對(duì)材料性能的影響，研究結(jié)果均證明超聲振動(dòng)有效細(xì)化了材料內(nèi)部晶粒，阻礙了加工過程中裂紋的萌生和擴(kuò)展，有效提高了材料的強(qiáng)度、抗疲勞能力和抗腐蝕性能。

大量研究結(jié)果表明，將超聲加工與傳統(tǒng)SPD復(fù)合制備得到的超細(xì)晶材料各項(xiàng)性能均得到大幅提升。在超細(xì)晶尺寸范圍內(nèi)，材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與尺寸大小成反比。當(dāng)金屬材料中的晶粒尺寸減小到超細(xì)晶量級(jí)時(shí)，其性能將發(fā)生一系列巨大而有益的變化[83-85]。

4 結(jié)語

本文從切削法制備超細(xì)晶材料時(shí)加工參數(shù)和工藝條件對(duì)晶粒細(xì)化的影響，切削法制備超細(xì)晶材料的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和熱穩(wěn)定性等，超聲振動(dòng)復(fù)合切削法制備超細(xì)晶材料的可能性等方面進(jìn)行了全面綜述。由文獻(xiàn)總結(jié)得到，切削法能高效制備出力學(xué)性能優(yōu)良、耐磨損、耐腐蝕和熱穩(wěn)定性好的超細(xì)晶材料。超聲振動(dòng)加工可以很大程度上改善材料的加工性能，有效細(xì)化材料內(nèi)部晶粒，阻礙加工過程中裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高材料的強(qiáng)度、抗疲勞能力和抗腐蝕性能。同時(shí)，超聲振動(dòng)還可以高質(zhì)高效地完成表面微結(jié)構(gòu)的高精度創(chuàng)成，代表了一種新型的表面微結(jié)構(gòu)可再生制造方法。

鑒于切削法低污染、高效率、工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)和超聲振動(dòng)輔助加工的優(yōu)勢(shì)，將超聲振動(dòng)應(yīng)用于切削法已成為發(fā)展趨勢(shì)。然而，欲將超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)和切削法復(fù)合制備超細(xì)晶材料，還有以下問題亟待解決：

1）超聲振動(dòng)復(fù)合切削法制備超細(xì)晶材料表面微觀結(jié)構(gòu)及性能的研究尚處于起步階段，需要建立適用于復(fù)合切削的聲學(xué)系統(tǒng)，以保持連續(xù)穩(wěn)定工作的計(jì)算、制造與參數(shù)調(diào)節(jié)，并探明超聲振動(dòng)方向施加和多維超聲施振的方法。

2）超聲振動(dòng)復(fù)合切削法的晶粒細(xì)化機(jī)理，超聲振動(dòng)參數(shù)、切削參數(shù)及其耦合對(duì)加工表面微觀組織（晶粒細(xì)化、變形孿晶和相變）和結(jié)構(gòu)特征的影響以及微觀組織演化對(duì)材料性能的影響及調(diào)控均有待進(jìn)一步研究。

3）超聲振動(dòng)切削過程中微結(jié)構(gòu)理論建模尚未形成體系，深入研究切屑表面層不同功能微結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生條件及其在多因素耦合作用下的演化規(guī)律，完成不同振動(dòng)施加方式和方向下切屑表面微結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確表征，建立微結(jié)構(gòu)特征預(yù)測(cè)模型，有利于零件加工表面性能的控制和改善。

綜上所述，將超聲振動(dòng)和切削法復(fù)合制備微機(jī)電系統(tǒng)高性能超細(xì)晶材料，將會(huì)使微型零件的綜合性能再次提升，打破傳統(tǒng)SPD的強(qiáng)化極限，是當(dāng)前推動(dòng)工業(yè)向小型化、微型化方向發(fā)展亟需研究的重要方法之一。

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Research Progress and Prospect of Ultrafine Grained Material Prepared by Cutting Method

(School of Mechanical and Power Engineering, Henan Polytechnic University, Henan Jiaozuo 454003, China)

In this paper, the effects of machining parameters and processing conditions on grain refinement in the pre-paration of ultrafine grained material by cutting method were reviewed, the mechanical properties, corrosion resistance and thermal stability of ultrafine grained material prepared by cutting method were analyzed, and the possibility of preparing ultrafine grained material by ultrasonic vibration combined cutting method was discussed. The literatures show that in the ultrasonic vibration machining, the material is affected by low stress, high speed and high frequency impact, which will cause serious plastic deformation, and the large size grains on the surface will be refined. At the same time, ultrasonic vibration can also form surface microstructure on the material surface, which can further improve the material properties. Therefore, the combination of large strain extrusion machining and ultrasonic vibration is proposed to efficiently prepare ultrafine grain material with functional microstructure, which provides a new process selection and theoretical and technical support for the preparation of ultrafine grain material for micro parts.

cutting; ultrasonic vibration; grain refinement; microstructure; material properties

TG511；TB559

A

1001-3660(2022)04-0037-13

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.04.004

2021-02-24；

2021-09-01

2021-02-24；

2021-09-01

河南省自然科學(xué)基金（202300410172）；國家自然科學(xué)基金（51675164）；河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)（212102210056，202102210070）

The Natural Science Foundation of Henan (202300410172); The National Natural Science Foundation of China (51675164) and Key R & D and Promotion Project of Henan Province (212102210056, 202102210070)

焦鋒（1971—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榫艹芗庸ぜ夹g(shù)與裝備。

JIAO Feng (1971—), Male, Doctor, Professor, Research focus: precision and ultra-precision machining technology andequipment.

牛贏（1987—），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)榫艹芗庸ぜ夹g(shù)與裝備。

NIU Ying (1987—), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: precision and ultra-precision machining technology andequipment.

焦鋒, 孫海猛, 牛贏, 等. 切削法制備超細(xì)晶材料研究進(jìn)展與展望[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(4): 37-49.

JIAO Feng, SUN Hai-meng, NIU Ying, et al. Research Progress and Prospect of Ultrafine Grained Material Prepared by Cutting Method[J]. Surface Technology, 2022, 51(4): 37-49.

責(zé)任編輯：劉世忠