超声深滚对TC4钛合金表面形貌和表面粗糙度的影响

　　0 引言

　　金属表面形貌是由表面粗糙度与波度所构成的，其中表面粗糙度也称表面光洁度，是指加工表面上具有的较小间隔和峰谷所组成的微观几何形状特征，它是表征材料表面几何特征的参数之一。粗糙度直接影响零件的耐磨性、疲劳强度、接触刚度和抗腐蚀性等，是影响零件性能的一项重要指标[1~2]。不同的加工方法可获得不同的表面形貌，但均存在着由峰、谷构成的粗糙度。表面粗糙度和加工刀痕会引起应力集中效应，从而使零件的抗疲劳性能下降，加工刀痕往往就是疲劳源。因此，消除加工刀痕或者提高表面光洁度，对提高零件的抗疲劳性能十分有益。

　　表面机械强化处理技术，如滚压和喷丸等，已广泛应用于提高零件的抗疲劳、耐腐蚀和耐磨损等性能。其强化机理主要包括引入残余压应力，细化表层材料的微观组织结构等[3~5]。但是，喷丸处理往往会使零件的表面粗糙度变大，对被处理零件的抗疲劳性能有不利的因素[6]。传统的滚压强化在滚压过程中，由于在滚压体和工件表面的接触处产生较大的摩擦，会在工件次表面产生剪切应力并对工件表面造成划伤，这不利于提高零件的疲劳强度。激光冲击强化激光冲击技术一般不能降低工件表面的粗糙度而且设备价格昂贵，限制了其应用。深滚和低塑性滚光技术的超高压液压系统(~60MPa)[5]在国内的技术条件下难以实现并且所需的高的静压力会使薄壁件产生变形。

　　针对以上问题，采用一种新型的表面机械强化处理技术—超声深滚技术(UDR)，对TC4试件进行了表面强化处理，文中主要研究超声深滚对TC4材料表面形貌和表面粗糙度的影响。

　　1 试验方法

　　1.1 试验材料

　　试样材料为退火锻态TC4钛合金。尺寸为30mm×15mm×4mm。TC4合金是一种中等强度的α+β 型两相钛合金，含有6%α 稳定元素Al 和4%β稳定元素V。基本性能：屈服强度1010MPa，抗拉强度1136MPa。TC4化学成分如表1所示。

　　1.2 试验设备

　　试验设备为装甲兵工程学院研制开发的超声深滚表面强化处理系统。试验时，将超声深滚表面强化处理系统安装在ZXZ-40A型数控铣床上，并对TC4钛合金试件进行了强化处理。试验采用的超声深滚技术是一种新型的表面机械强化技术，其工作原理是以20～40KHz的超声波驱动钢珠对被处理材料表面形成高速冲击，同时通过特殊设计对钢珠施以静压力，以实现冲击滚压联合作用，这种联合作用将使(金属)材料表面产生大深度塑性变形。表层材料以塑性变形为主，次表层材料以弹性变形为主，当弹性变形由于载荷而试图恢复(回弹)时，由于受到工件表面塑性变形(永久变形)的阻碍而无法恢复，从而造成表面材料受压，次表面材料受拉的状态，在表面下一定深度范围内产生残余压应力(见图1)。