机器人锤击强化及其在先进表面强化中的应用

简介

在基于金属的制造和/或再制造领域，表面强化通常是指机械冷加工工艺，如抛喷丸、滚压、抛光等，应用于工件表面，以提高其疲劳寿命[1]。表面强化对金属疲劳寿命的主要影响与残余压应力的引入有关。除了应力效应外，通过表面强化使表面平滑、硬化和/或晶粒细化对延长金属部件使用寿命也起着重要作用。表面强化技术在金属结构合金制造业中得到了长久且广泛的应用。近年来，随着增材制造的快速增长以及自动化和精密控制系统的不断发展，通过专门的工艺设计和/或系统集成，使先进的表面强化技术得到发展成为可能[2]。

图1：RHP诱发的SS304L(a)表面塑性变形和(b)γ-至-α’相变的平面内分布。

插图突出显示了沿纵向经RHP工艺处理导致单个沟槽周围的表面高度变形

 

表面强化中冷加工背后的普通物理原理与晶体缺陷的产生、相互作用和/或消除有关，这些缺陷在宏观上表现为塑性变形。这些晶体缺陷包括气孔、微裂纹、位错、层错、孪晶、相变等。这些缺陷在冷加工过程中的演变导致基体材料的残余压应力累积、硬化和/或晶粒细化，进而提高其疲劳寿命、机械强度、耐磨性和/或抗腐蚀性能。各种冷加工工艺，如机器人锤击喷丸(robotic hammer peening简写RHP)、超声波纳米晶表面改性(ultrasonic nanocrystal surface modification简写UNSM)、冷深滚压、喷丸强化、激光冲击强化、空化冲击强化等，已被开发用于先进表面强化[3]。其中，RHP工艺(除喷丸频率差异较大外，其他与UNSM相似)，不需要消耗性资源，如激光冲击和空化冲击中的水或喷丸强化中的介质，它具有可与增材制造和/或其他可本地化表面处理技术(如激光或局部热处理)集成的优点。人们已经提出此种系统集成，目前正由ARTC和IMRE(A*STAR，新加坡)合作进行中，以实现先进表面强化[4]。

图2：在偏置于23V的A3电解质(Struers)中，经ECP处理前和处理15秒后采集的SS304L RHP诱发的

单一表面沟槽的显微照片和表面高度剖面图。插图是经ECP处理后获得的沟槽内外区域记录的高度图

 

在本文中，我们报告了有关不锈钢(SS304L)和镍基单晶(NBSC)超合金试样的RHP工艺的最新研究成果。SS304L(以γ相奥氏体为主)的堆垛层错能(主要取决于元素组成)远低于NBSC超合金，但两者均为面心立方(FCC)晶体结构。结果表明，SS304L与NBSC超合金在动态表面强化作用下的塑性变形机制不同。在此，我们试图揭示SS304L的强化诱发的塑性变形和奥氏体(γ相)到马氏体(α’相)变形的平面内分布以及NBSC超合金的机器人锤击诱发的晶体重取向。当通过RHP设计冷加工工艺和/或系统集成以进行先进的表面强化时，它们可能会产生重要影响。

材料和方法

这项研究使用了市售的SS304L和NBSC超合金(第三代)试样。后者在RHP工艺前通过电火花加工(EDM)和电化学抛光(ECP)去除表面变形层而制备。ECP工艺在偏压为23 V的A3电解液(Struers)中进行。在ABB工业机器人平台(IRB 6660)上使用球形碳化钨锤头(FORGEfix)进行RHP工艺。锤头直径为4mm，在SS304L和NBSC超合金试样的驱动压力分别为4巴和6巴。在此过程中，锤头的纵向进给速度为1000mm/min，横向跨距在0.1-2.0mm范围内变化。

图3：XRD测量的NBSC超合金试样A(左侧)和B(右侧)未进行RHP工艺处理(上面)和进行RHP工艺处理和(下面)的极图

 

分别使用台阶轮廓仪和X射线衍射仪(XRD)对RHP诱发的SS304L合金表面塑性变形和材料结构演变进行表征，包括SS304L中的γ-α’相变和NBSC超合金中的晶体重取向。XRD系统(Bruker-D8)配有Cu-Kα X 射线管和通用面积检测器，具有对晶相结构高度敏感的优点。它在通过极图测量确定晶体取向方面也非常精确。

结果与讨论

图1(a)所示为从经RHP处理的SS304L试样上获取的典型显微照片，横向跨距为1.0mm。图1(b)所示为沿横向收集的XRD图，用于说明RHP诱发的γ-至-α'相变的平面内分布。插图突出显示了沿纵向经RHP工艺处理形成的单个沟槽周围的塑性变形。对形态/形貌与XRD图进行仔细比较后发现，机器人锤击诱发的相变仅发生在沟槽中，而不发生在机器人锤击诱发的堆叠材料中。根据RHP工艺参数，跨距从2.0到0.1mm的变化过程中，在跨距减小到小于0.8mm之前，相邻沟槽之间的中心没有发生表面变形。
图2显示了RHP对SS304L腐蚀的影响，该结果是在偏压为23 V的A3电解液(Struers)中进行15秒的ECP处理获得的。图2(a)和2(b)所示分别为对经RHP工艺变形的单个沟槽进行ECP工艺处理前后拍摄的显微照片。我们可以看到，表面区域，特别是沟槽旁边的那些未锤击过的区域，已经通过ECP工艺变得平滑。图2(c)所示是ECP工艺前后采集到的RHP诱发的沟槽的表面高度剖面图，而插图则是ECP工艺后在沟槽外(左侧)和沟槽内(右侧)采集到的高度图。沟槽外高度分布的比较为ECP诱发表面平滑提供了证据；但是，高度剖面图(即插图)的比较表明，RHP工艺已显着抑制了ECP工艺的表面点蚀。还可以看到，ECP工艺处理后，RHP诱发的沟槽深度略有减少(见高度分布中的圆形指标，尤其是实线指标)。这些观察结果以及RHP工艺产生的抗点蚀效果表明，RHP工艺提高了SS304L的抗蚀性，这很可能是由于冷加工诱发的表面平滑。如上所述，RHP工艺的表面平滑和抗耐蚀效果在很大程度上取决于工艺设计，如锤头的硬度和尺寸、驱动压力、纵向进给速度和跨步距离等。

图4：NBSC超合金具有一般各向异性和取向相关的机械性能。插图显示了基于NBSC超合金的工业设计涡轮叶片的典型取向

 

图3所示为利用XRD对NBSC超合金在使用和未使用RHP工艺处理区域的{111}和{200}原子面进行测量得出的极图。一个常见的现象是，由于冷加工及其诱发的塑性变形，强化区域的衍射峰明显变宽。图3中左侧所示的样品A其表面法线方向稍微偏离其[001]晶轴，这是通过比较未锤击过的区域测量的{111}和{200}极图来确定的。RHP工艺处理之后，偏离角明显减小，即，通过RHP工艺，表面法线方向已经往[001]方向转。同样地，样品B的表面法线稍微偏离晶轴[111], 在RHP工艺后，可以看到其中一个{111}衍射峰明显地转向了表面法线方向(即，极图的中心)；{111}和{200}衍射峰在表面法线方向上重新分布得更加对称。这些观察结果表明，除了表面强化外，RHP工艺可以用来调整NBSC超合金的表面晶轴方向。
在NBSC超合金涡轮叶片的制造和/或再制造中，RHP工艺表面的取向调节效应具有重要意义。一方面，如图4所示，基于NBSC超合金的工业涡轮叶片通常根据典型取向制造[5]。这是因为NBSC超合金具有各向异性和取向相关的机械性能。另一方面，增材制造(如3D打印)作为一种经济高效的修复单个涡轮叶片的技术已经引起了越来越多的关注。因此，采用RHP工艺可以同时实现增材制造NBSC超合金涡轮叶片的表面强化和晶轴表面的取向调整。

结语

RHP工艺的优点是可与增材材料制造和/或其他可局域化的金属部件表面强化处理技术集成。表面层中RHP诱发的塑性变形机制可以通过工艺设计和/或系统集成进行调整。工艺参数不仅对奥氏体不锈钢塑性变形的空间分布有重要影响，而且对奥氏体不锈钢的γ-至-α相变也有重要影响。研究表明，SS304L的抗腐蚀性得到了RHP增强，这归因于其表面的平滑效果。对于单晶超合金，RHP工艺不仅可以用于表面增强，而且可以用于表面晶向调整。该发现可被开发为一种基于单晶超合金的金属部件进行增材制造(例如，单个涡轮叶片的维修)经济高效的工艺。

致谢

这项工作凭借结构金属合金计划(SMAP，批准号A18B1B061)得到了A*STAR RIE2020先进制造和工程(AME)项目资助，。

 

Hongfei Liu (Ph. D. in Physics), Senior Scientist
邮箱：liuhf@imre.a-star.edu.sg
Institute of Materials Research and Engineering
(IMRE), A*STAR (Agency for Science,
Technology and Research), 2 Fusionopolis
Way, Singapore 138634, Singapore

Ivan Chee Kiang Tan
(Ph. D. in Eng.), Scientist

Yuefan Wei
(Ph. D. in Eng.), Scientist

Advanced Remanufacturing and Technology
Centre (ARTC), A*STAR (Agency for Science,
Technology and Research), 3 Cleantech Loop,
Singapore 637143, Singapore