空化作用与微磨料联合对TC17钛合金表面改性的协同效应：超声波频率的影响

本研究通过理论建模、数值模拟和实验验证，揭示了超声空化与微磨料协同作用改善TC17钛合金表面质量与机械性能的机理。实验表明，20 kHz处理使表面粗糙度降低28.4%，硬度增加23.9%，残余压应力提升190.5%，并细化晶粒，证实了Hall-Petch强化机制。

　　

崔世达|叶林政|朱希静|刘瑶|张万琪|李向萌

中国北方工业大学机械工程学院，太原030051，中国

摘要

超声空化结合微磨料辅助表面改性为同时提高先进航空航天合金的表面质量和机械性能提供了一条有前景的途径。本研究通过理论分析、仿真和实验阐明了其内在机制。在空化-磨料流体领域，建立了一个考虑粘度和气泡扰动的空化气泡演化数学模型。数值模拟表明，速度为90 m/s、间距为30 μm的微磨料显著抑制了气泡振荡，而将超声频率从20 kHz提高到40 kHz则显著降低了声压幅度，从而减弱了空化强度。仿真分析显示了超声空化的明显方向性，突出了其在表面改性中的潜力。使用600 W超声振动系统和0.5 wt% SiC颗粒进行的实验验证证实了表面完整性的显著改善。在20 kHz时，表面粗糙度从2.01 μm降低到1.44 μm（减少了28.4%），显微硬度从375.9 Hv增加到465.7 Hv（增加了23.9%），残余压应力从-249.3 MPa增加到-724.5 MPa（增加了190.5%）。微观结构分析进一步表明晶粒得到了细化，平均晶粒尺寸从0.46 μm减小到0.32 μm，从而证实了Hall-Petch强化机制。这些发现阐明了空化-磨料的协同效应，并为优化超声表面处理提供了定量指导，以提高钛合金在苛刻应用中的抗疲劳性和使用寿命。

引言

全球航空和航空技术的快速发展要求发动机具有更高的推重比、更好的热效率、更长的使用寿命和更高的运行可靠性[1,2]。钛合金广泛用于关键的航空航天部件[3]。在所有关键部件中，涡轮叶片对决定发动机的整体性能和效率起着决定性作用[4]。这些部件的表面质量和完整性有严格的要求。例如，将高压燃料涡轮泵叶片的表面粗糙度从10.16 μm降低到0.76 μm可以提高效率2.5%[5]，而将涡轮叶片的粗糙度从0.38 μm增加到11.8 μm会导致压力损失增加40%[6]。TC17钛合金（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）是一种α+β双相合金，具有高比强度、良好的韧性、优异的淬透性和热稳定性[7,8]。它在高达400 °C的高温下仍能保持高强度，因此被广泛用于航空航天应用[9]。然而，其广泛应用常常受到摩擦学性能的固有缺陷和表面起始损伤（如微动疲劳）的制约[10]。因此，开发能够同时改善表面质量和机械性能而不损害合金整体性能的有效表面改性技术已成为一个重要的工程挑战，并成为研究的重点。

超声空化表面改性是一种有前景的技术，它利用冲击波和微射流等次级效应来改性金属表面[[11], [12], [13]]。通过空化动力学引起的微塑性变形，这种方法细化了晶粒并引入了压应力，从而提高了表面完整性。Ijiri等人[14]证明，在优化条件下（例如，1200 W，10分钟），多功能空化（MFC）处理显著提高了Cr-Mo低合金钢的耐腐蚀性、压应力和强度。Ye等人[15]报告称，在水和煤油中进行的超声空化处理改善了AZ31B镁合金的性能，在水中效果更为显著，维氏硬度提高了三倍，晶粒尺寸细化到1.5-2.5 μm。Chuai等人[16]通过理论和实验研究证实，超声空化处理使钛合金的显微硬度提高了10.8%，表面粗糙度降低了42.4%，证实了表面质量和机械性能的双重提升。Soyama等人[17]比较了空化喷丸、水射流喷丸和激光冲击喷丸，得出结论认为空化喷丸在实现优异的表面光洁度方面具有特别的优势。Bai等人[18]设计了一种新型超声发生器，能够在不锈钢管的弯曲狭窄通道内产生强烈的空化。他们的结果显示，在最佳工作距离1 mm时，表面硬度提高了约12%，而没有显著影响表面粗糙度，证明了超声空化处理复杂内部表面的可行性和优势。总之，与传统喷丸或激光冲击喷丸不同，超声空化辅助改性在常温条件下提供了更优的表面光滑度，并诱导了深度塑性变形，特别适用于精密部件。

近年来，研究人员发现将微磨料引入空化场可以显著提高表面抛光和改性的效率。Chuai等人[19]建立了一个预测模型，用于描述受微磨料影响的空化气泡异质成核率，并通过荧光分析进行了验证，表明磨料颗粒增强了空化活性。Chi等人的研究[20]表明，添加3 wt%的微磨料显著增强了储层岩石的超声空化侵蚀效果。在5-60分钟的侵蚀过程中，砂岩、页岩和花岗岩的质量损失分别增加了约81%、557%和211%，表明微磨料的加入可以显著加速矿物剥落，促进微裂纹的形成，并提高油井中超声处理的效率。Nagalingam等人[21]报告称，空化和磨料之间的协同作用使材料去除率提高了80%，表面光洁度提高了90%以上。Fu等人[22]进一步发现，空化诱导的磨料冲击比单独的空化更有效地去除微/纳米级材料。超声空化-微磨料协同效应的有效性在很大程度上取决于气泡动力学和磨料颗粒运动之间的复杂相互作用。然而，超声频率在调控这些相互作用以及如何最终决定表面改性结果方面的作用仍不够清楚。

具体来说，频率是控制空化动力学的关键参数。低频超声倾向于产生大而高能量的气泡，其崩塌会产生强烈的微射流和冲击波，而高频超声则产生更密集的小气泡群体，能量分布更加均匀[[23], [24], [25]]。然而，目前大多数研究都集中在优化单频条件上，对于频率依赖的空化行为与磨料颗粒动力学的耦合了解有限。特别是，频率如何在磨料存在的情况下改变气泡特性，以及这如何反过来控制颗粒运动和表面冲击，仍然很大程度上未被探索。

在本研究中，建立了微磨料流体领域内的空化气泡演化方程，模拟了介质域内的声压和空化方向性，并开发了一个用于TC17钛合金超声空化-微磨料协同改性的实验平台，以研究频率对微磨料流体领域内表面改性的调控作用。这项工作为TC17钛合金的精确表面性能调整提供了理论见解和技术支持，推动了高性能表面工程策略的发展。

部分摘录

理论分析和仿真研究

在超声空化微磨料流体领域中，微磨料会影响流体粘度。广泛使用的Krieger-Dougherty模型描述了微磨料对液体粘度的影响，如方程1所示[26]。

$\eta ={\eta }_0{\{1?\frac{450C_m}{450{?}_m\left(3.21?2.21C_m\right)}?\left[\eta \right]{?}_m}^{}$

这里，C_m表示微磨料的质量分数，η表示固体颗粒的固有粘度（2.5），φ_m表示颗粒的最大堆积分数（0.62），η₀表示流体的粘度（0.001）。基于

实验

图6展示了用于超声空化辅助表面改性的实验平台，以及磨料颗粒的形态和基材表面的初始状态。图6(a)显示了实验装置，包括超声振动系统、可调升降平台、3D打印定制夹具、高速成像系统、空化改性室和测试样品。

表面粗糙度和表面形态分析

表面粗糙度是衡量表面质量的关键因素之一，与组件的使用寿命密切相关[27,28]。在超声空化和微磨料的协同作用下，TC17钛合金的表面粗糙度显著降低，如图7(a)所示。在20、30和40 kHz的超声频率下，表面粗糙度分别降低到1.44 μm、1.63 μm和1.85 μm。粗糙度的降低源于多种因素

结论

本研究系统地研究了超声空化和微磨料颗粒对TC17钛合金表面改性的协同效应，并阐明了其内在机制。主要发现总结如下：

• 1.
  理论建模和COMSOL仿真表明，微磨料通过速度和距离依赖的扰动改变了空化气泡的动力学。高颗粒速度和减少的颗粒-气泡距离

CRediT作者贡献声明

崔世达：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、形式分析、数据管理、概念化。叶林政：撰写——初稿、软件、方法论、研究、资金获取。朱希静：撰写——初稿、监督、资源管理、资金获取、概念化。刘瑶：撰写——审稿与编辑、可视化。张万琪：验证、软件、资源管理。李向萌：监督、资源管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号52375470、52005455和51975540）、山西省中央科技发展引导基金（项目编号YDZJSX2022C005）、山西省科技合作与交流专项项目（项目编号202204041101006）以及中国山西省奖学金委员会（项目编号2023-130）的支持。