喷丸、激光冲击和超声纳米晶表面改性对Inconel 718疲劳强度的影响（1）( 二 )
基于抛光的方法包括磁驱动磨料抛光（见上图a-d）、水力空化磨料抛光（HCAF）（见图e和f）和超声波空化磨料抛光（UCAF）（见图g和h） 。 它们已被专门用于评估金属AM材料表面形态对摩擦学性能的影响 。
相反 ， UNSM是一种基于机械冲击的表面处理 ， 通过坚硬的Al2O3、WC或Si3N4球形尖端 ， 通过高超声振动频率进行应用 。 超声波发生器产生的高频振动通过喇叭和探头系统通过助推器放大 。 该系统将静态和动态荷载组合应用于表面（见图1b） 。 据报道 ， UNSM可提高金属材料的耐磨性、疲劳性、微动疲劳性、腐蚀性和应力腐蚀性 。 这种改善是由于表面晶粒细化和硬化顶面层中产生的高压缩残余应力 。
此外 ， 据报道 ， 在应用UNSM后 ， 粗糙度值略有增加 ， 并获得了微凹陷的表面形貌 。 通过调节超声波频率和振幅 ， UNSM可以诱导显著的晶粒细化 。 最近 ， UNSM已被用于将增材制造过程中产生的拉伸残余应力转换为工具钢的压缩应力 。 除了产生残余压应力外 ， 据报道 ， UNSM还将原始奥氏体结构转变为亚稳马氏体 。 因此 ， 尽管工具钢的硬度非常高 ， 但据报道UNSM能够进一步改善其磨损性能 。 在热表面处理（气体渗氮、渗碳、渗硼）之前 ， UNSM还被用作预处理 ， 以增加受影响层的厚度 。 影响层厚度的增加归因于AISI M4工具钢的缺陷密集亚稳马氏体结构 ， 该结构在渗氮处理时可触发氮的扩散能力 。 因此 ， 可以进一步改善超高强度钢的磨损和腐蚀性能 。 Liu等人研究了激光辅助UNSM对Ti6Al4V变形表层厚度和局部塑性的影响 。 结果表明 ， 硬度提高75.2% ， 变形层厚度增加2.5倍 ， 最顶层的平均晶粒尺寸为37nm 。
另一方面 ， 激光冲击喷丸（LSP）是一种表面改性工艺 ， 利用高能脉冲激光束在目标材料表面产生冲击波（见图1c） 。 高能等离子体通过吸收元素的蒸发出现在表面 。 等离子体能量导致残余应力和高塑性应变的产生 ， 从而导致表面晶粒细化 。 LSP由于其局部热影响 ， 在晶粒细化方面不如SP和UNSM等机械处理有效 。 LSP广泛用于改善金属的疲劳、磨损、微动疲劳和耐腐蚀性 。 据报道 ， 使用LSP后 ， 2024-T351铝合金的裂纹扩展速率降低 ， 疲劳寿命提高（63.5%） 。 同样 ， LSP处理也会对表面粗糙度产生不利影响 。 激光功率密度约为2.0GW/cm2时 ， 镁合金ZK60的粗糙度从0.32μm提高到9.3μm 。 然而 ， LSP后的磨损性能提高了17.6% 。 Bikdeloo等人致力于将316 L不锈钢的喷丸冲击次数从1次提高到4次 ， 从而获得有效的疲劳裂纹扩展延迟 。 据报道 ， LSP还通过降低氧的活化能来增加Cr和Mn的扩散率 ， 从而为P91级铁素体马氏体钢提供抗氧化保护 。
上述三种技术均通过表面塑性变形诱导表面晶粒细化和残余压应力；然而 ， 它们的影响程度不同 ， 并且随着材料而不同 。
【喷丸、激光冲击和超声纳米晶表面改性对Inconel 718疲劳强度的影响（1）】关于上述表面SPD技术在Inconel 718上的应用研究很少 ， Inconel 718是一种在不同工业部门经常使用的材料 。 Koltz等人分别使用S230铸钢丸和CW14处理过的碳钢切割钢丝丸 ， 在全覆盖范围内采用了不同的CSP工艺 ， Almen强度分别为4和8A；本研究通过分析表面粗糙度、残余应力的分布和松弛以及CSP处理试样与抛光试样的疲劳寿命 ， 研究了CSP处理的影响 。 结果表明 ， CSP可将高周疲劳寿命从2倍提高到20倍 ， 具体取决于工艺参数 。 据报道 ， 在施加4和8 A的CSP工艺后 ， 抛光试样的Rt表面粗糙度从7.15μm增加到8.65μm和25.38μm 。 此外 ， 在4和8 A强度下 ， 表面诱发的残余应力分别为?810 MPa和?920 MPa ， 而抛光试样的表面残余应力为?90 MPa 。
Amanov在25℃、400℃和600℃的不同温度下 ， 使用50N的静载荷 ， 研究了UNSM工艺对Inconel 718机械性能的影响 。 据报道 ， UNSM后的显微硬度、抗微动磨损性和拉伸性能显著增强 。 与未经处理的试样相比 ， 表面硬度在室温下提高了35% ， 在400°C时进一步提高了50% ， 在600°C时进一步提高了40% 。
Kattoura等人用激光功率密度约为4.7 GW/cm2的激光对Inconel718进行LSP处理 ， 以研究硬度、表面粗糙度、压缩残余应力及其松弛以及拉伸和疲劳行为的变化 。 他们报告 ， LSP处理材料的硬度和抗拉强度增加 ， 疲劳极限提高了14% ， 相当于约5×106个循环 。 另一项研究分析了激光功率密度为6和9 GW/cm2的LSP处理Inconel 718的微观结构特性 ， 揭示了LSP处理后表层晶粒细化 ， 位错密度增加 。
在本研究中 ， 研究了三种SPD表面处理 ， 即SP、UNSM和LSP对Inconel 718试样的影响 ， 并从机械性能方面进行了比较 。 考虑了三种不同的SP工艺 ， 包括具有不同Almen强度和覆盖率的CSP和SSP、具有不同静态负载的两种UNSM工艺和具有不同激光功率密度的两种不同LSP工艺 。 处理后的试样在微观结构、表面粗糙度、硬度、残余应力分布及其在疲劳试样中的松弛方面进行了表征 。 在特定应力振幅下 ， 比较了接收试样（AR）和处理试样的疲劳寿命 。
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