超声椭圆振动切削过程中钨表面位错的生成机制与调控研究

为解决钨偏滤器在高温等离子体环境中性能受限的问题，研究人员通过分子动力学模拟和实验，系统研究了超声椭圆振动切削(UEVC)工艺参数(PPs)对钨表面位错密度(DD)的影响规律。研究发现增大刃口半径(ER)、切削深度和振动幅度(VA)，减小后角(CA)、前角(RA)、切削速度、振动频率(VF)和轴比(AR)可提高加工表面DD。该研究为核聚变装置关键部件的高性能制造提供了技术指导。

　　

在核聚变装置中，偏滤器作为核心部件承受着高温等离子体的持续轰击，其材料性能直接决定装置运行寿命。钨(W)因其高熔点(3422°C)、高溅射阈值等特性成为偏滤器首选材料，但传统加工方法难以兼顾其表面质量和微观结构控制。现有研究多聚焦于几何精度，而对影响等离子体吸附性能的表面位错演化机制缺乏系统认知，这严重制约了偏滤器在极端环境下的服役性能。

为解决这一关键技术瓶颈，大连理工大学高性能精密制造国家重点实验室团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，创新性地将分子动力学(MD)模拟与实验验证相结合。研究采用LAMMPS软件构建单晶钨UEVC模型，运用Tersoff势函数描述碳原子相互作用，EAM势函数模拟钨原子行为，通过OVITO软件进行位错可视化分析。实验方面选用含95%钨的钨合金(TA)工件，在四轴精密机床上进行不同切削深度(2-6μm)的UEVC加工，采用X射线衍射(XRD)结合Williamson-Hall法计算位错密度。

研究结果揭示：

1. 1.

   位错形成机制

   通过CF曲线分析发现切削力呈周期性变化，对应工具椭圆轨迹运动。DXA识别出1/2<111>和<100>两种位错类型，前者易在切削初期形成并侧向滑移，后者主要在工具底部区域成核。原子位移矢量显示材料通过剪切去除和挤压双重机制变形，约15%原子被挤压至表面而非形成切屑。

2. 2.

   刀具参数影响

   当ER从0?增至40?时，DD从0激增至8.7×10^-3 nm^-2；而CA从0°增至40°使DD降低63%。锐利刀具(ER=0?)导致表面起伏达28.5?，证实刃口钝化可增强塑性变形但需平衡表面质量。

3. 3.

   切削参数调控

   切削深度每增加10?，DD提升约40%，实验测得6μm切削深度下DD较2μm工况提高2.1倍。降低切削速度(150→50 m/s)可使椭圆轨迹数从8增至12，延长单点挤压时间从而增加位错。

4. 4.

   振动参数优化

   VF从10GHz升至50GHz时，残余高度从28.5?降至1.9?，但过高频率(50GHz)导致位错不连续。轴向振动(AR=0)产生最深位错层(48?)，而增加轴向比(AR=2)更利于切屑排出。

这项研究首次建立了UEVC工艺参数与钨表面位错密度的定量关系模型，突破性地发现通过调控椭圆轨迹几何特征(尺寸、数量、形状)可实现位错密度精确控制。实验验证当切削深度增至6μm时，表面DD达1.2×10¹⁴ m^-2，与模拟趋势高度一致。该成果为核聚变装置关键部件"性能导向型"加工提供了新范式，通过主动设计表面缺陷分布可显著提升偏滤器的高温等离子体吸附性能。未来研究可进一步探索多晶钨的晶界效应及辐照-切削耦合作用机制。