了解不同表面处理对L-PBF HAYNES? 282材料表面纹理和疲劳性能的影响

《Applied Surface Science Advances》：Understanding the influence of different surface treatments on surface texture and fatigue behavior of L-PBF HAYNES? 282

激光粉末床熔融（L-PBF）HAYNES? 282合金表面处理对疲劳性能的影响研究表明，机械处理（如磨削、 abrasive flow machining、 shot peening和 wet blasting）通过改善表面粗糙度和引入压应力显著提升低应变幅值（≤0.003 mm/mm）下的疲劳寿命，而化学处理（如电化学抛光）仅轻微改善，激光抛光因产生拉应力效果不显著。表面纹理分析（X射线断层扫描和焦点变焦显微镜）与残余应力测量（X射线衍射）结合疲劳测试数据，揭示了机械处理对表面微观结构和应力状态的综合优化作用。

　　本研究探讨了十种不同的表面处理方法对激光粉末床熔融（L-PBF）制造的HAYNES? 282材料表面纹理和疲劳性能的影响。HAYNES? 282是一种具有优异高温、蠕变、疲劳和耐腐蚀性能的γ'镍基高温合金，广泛应用于航空航天、工业燃气轮机和汽车涡轮增压器等极端环境。然而，这些应用中复杂的零件设计往往需要定制化的工具和夹具，从而导致生产时间和成本增加。特别是像HAYNES? 282这样的难加工合金，其高硬度和低热导率可能导致工具磨损加剧。因此，研究者关注于如何通过表面处理来改善这些材料的表面质量，以提高其在疲劳关键应用中的可靠性。

本研究选择了多种表面处理技术，包括机械处理（如磨料流加工、机械加工、陶瓷喷丸、钢喷丸和湿喷砂）、化学处理（如干电解抛光、电化学抛光和化学铣削），以及激光抛光和化学机械抛光等复合处理方法。表面纹理通过X射线计算机断层扫描（XCT）和聚焦变焦显微镜（FV）进行表征，而近表面微观结构和断裂表面则通过扫描电子显微镜（SEM）进行分析。为了评估这些处理对疲劳性能的影响，研究者在四种不同的应变振幅下进行了完全反向应变控制疲劳测试，分别为0.005、0.004、0.003和0.0025 mm/mm。研究结果表明，机械处理在较低应变振幅下显著提升了疲劳寿命，这主要归因于表面粗糙度的改善和由于表面严重塑性变形而产生的压缩残余应力。相比之下，化学和复合处理中只有电化学抛光（ECP）显示出轻微的疲劳寿命提升，主要在较低应变振幅下，这可以归因于表面质量的改善。而激光抛光（LP）则没有改善疲劳寿命，因为其引入了拉伸残余应力，抑制了表面质量提升带来的积极影响。

研究发现，不同的表面处理方法对表面纹理和疲劳性能的影响各不相同。机械处理如磨料流加工（AFM）、机械加工（M）和喷丸处理（SP-S、SP-C）在表面粗糙度和疲劳寿命方面表现出显著的改善，尤其是在低应变振幅条件下。这些处理方法不仅去除了表面的粗糙特征，还通过塑性变形引入了压缩残余应力，有助于延缓裂纹的萌生和扩展。其中，M和AFM处理的表面粗糙度降低最为显著，几乎完全去除了原始表面的粗糙层，这可能是其在低应变振幅下表现出更高疲劳寿命的原因之一。而喷丸处理虽然对表面粗糙度的改善效果稍逊于M和AFM，但其引入的压缩残余应力更为显著，从而对疲劳性能产生了更积极的影响。

化学处理如化学铣削（CM）和干电解抛光（DE）在表面质量方面也有一定的改善，但其对疲劳寿命的提升效果有限。特别是CM和DE处理后的表面仍然存在非均匀性和微小的凹凸不平，这可能是由于酸性蚀刻剂对材料弱区（如晶界）的局部腐蚀所致。而ECP处理则表现出更显著的表面质量改善，其表面纹理值大幅下降，但由于其对晶界腐蚀的倾向，反而导致了裂纹的早期萌生，从而限制了其对疲劳寿命的提升效果。复合处理如化学机械抛光（CMP）虽然能够有效去除表面不平整，但其表面质量的改善效果并不如机械处理那样显著，且部分处理过程中仍然存在微小的缺陷。

在表面处理对残余应力的影响方面，研究发现机械处理能够显著引入压缩残余应力，而激光抛光则引入了拉伸残余应力。压缩残余应力能够抵消外加的拉伸应力，降低表面局部的应力集中，从而提高材料的疲劳寿命。然而，拉伸残余应力则可能加速裂纹的萌生，导致疲劳寿命没有明显提升。此外，研究还发现，某些表面处理方法（如ECP）虽然能够改善表面质量，但由于其对晶界的腐蚀作用，反而可能导致材料的局部薄弱区域，从而影响其疲劳性能。

在疲劳测试结果中，不同表面处理条件下的裂纹萌生和扩展行为表现出明显的差异。对于较高应变振幅（如0.005和0.004 mm/mm），疲劳寿命的提升效果不明显，因为此时材料的裂纹扩展速率主要由整体塑性变形决定，而非表面处理的影响。然而，在较低应变振幅（如0.003和0.0025 mm/mm）下，表面处理对疲劳寿命的影响更为显著。此时，裂纹的萌生阶段成为疲劳性能的主要决定因素，而机械处理通过改善表面质量并引入压缩残余应力，有效延缓了裂纹的萌生。

本研究的结果对于指导HAYNES? 282材料在增材制造后的表面处理选择具有重要意义。不同的处理方法适用于不同的应用场景，机械处理在改善表面质量方面效果显著，尤其适用于需要较高疲劳性能的部件。而化学和复合处理虽然在某些情况下能够改善表面质量，但其对疲劳寿命的提升效果有限，甚至可能因腐蚀而降低材料性能。因此，在选择表面处理方法时，需要综合考虑材料的使用环境、几何形状、成本以及表面处理带来的残余应力效应。

此外，研究还指出，对于复杂几何形状的零件，机械处理可能受到工具可达性的限制，而化学处理和复合处理则能够更好地处理内部和难以到达的区域。然而，化学处理往往需要特定的设备和化学试剂，这可能带来一定的健康和环境风险。因此，在实际应用中，需要根据具体需求权衡各种处理方法的优缺点，选择最合适的表面处理技术以提高材料的可靠性。

总的来说，本研究为HAYNES? 282材料的表面处理方法提供了全面的评估，揭示了不同处理方法对表面纹理和疲劳性能的具体影响。研究结果表明，机械处理在提升疲劳寿命方面具有显著优势，尤其是对于低应变振幅的应用。而激光抛光和某些化学处理方法虽然能够改善表面质量，但由于其引入的残余应力效应，对疲劳寿命的提升有限。未来的研究可以进一步探索不同表面处理方法的优化组合，以在改善表面质量的同时，最大限度地提升材料的疲劳性能。