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本研究提出新型液体薄膜剪切抛光（LFSP）技术用于提升钛合金Ti-6Al-4V的表面质量。通过单因素实验系统研究磨料浓度、抛光板速度、液体膜厚度及抛光时间对材料去除率与表面粗糙度的影响，优化后表面粗糙度达4.89 nm，较机械抛光显著减少表面缺陷与次表面损伤，残余应力降低，电化学测试显示腐蚀电阻提升。LFSP为高精度低损伤表面加工提供了有效方法。
陈鸿宇|杨乐天|杨玉洁|韩云晓|王嘉欢|杭伟|何建南|齐欢|刘冰海
浙江工业大学机械工程学院，中国杭州310023
摘要
Ti-6Al-4V钛合金因其高比强度和优异的耐腐蚀性而被广泛应用于航空航天、海洋和生物医学领域。然而，其较低的弹性模量和高化学反应性在加工过程中阻碍了理想表面质量的获得，从而影响了部件的使用可靠性。为了改善Ti-6Al-4V的表面质量，本文采用了一种新型的液膜剪切抛光（LFSP）方法。通过单因素实验系统研究了关键工艺参数（包括磨料浓度、抛光盘速度、液膜厚度和抛光时间）对材料去除率（MRR）和表面粗糙度的影响。结果表明，提高抛光盘速度和磨料浓度可以增强MRR，而增加液膜厚度和延长抛光时间则会降低MRR。相反，提高抛光盘速度可以降低表面粗糙度，而其他参数则表现出先减少后增加的趋势。在优化条件下，LFSP实现了超光滑的表面，最小Ra值为4.89纳米。与机械抛光相比，LFSP显著减少了表面缺陷，有效抑制了亚表面损伤，并降低了表面残余应力。电化学测试进一步表明，LFSP处理后的样品具有更高的腐蚀电位和更低的腐蚀电流密度，表明其耐腐蚀性得到了提升。总体而言，LFSP在高质量、低损伤的表面抛光以及提高Ti-6Al-4V钛合金表面性能方面展现出巨大潜力。
引言
Ti-6Al-4V（Ti64）是一种典型的α+β钛合金，也是最重要的工程材料之一[1]。由于其高比强度、优异的耐热性、耐腐蚀性和生物相容性，Ti64已被广泛应用于航空航天、海洋工程和生物医学领域[2]、[3]、[4]、[5]。在这些应用中，表面质量对钛合金部件的功能性能和服务寿命起着关键作用[6]、[7]。在航空航天应用中，钛合金表面的缺陷会导致局部应力集中，从而促进疲劳裂纹的萌生和扩展，最终导致部件失效[8]、[9]、[10]。同样，在生物医学植入物中，较高的表面粗糙度会降低耐腐蚀性和生物相容性，并在生理条件下加速磨损[11]、[12]、[13]。因此，需要先进的抛光技术来提高表面质量并确保部件的可靠性能。然而，Ti64的低导热性、低弹性模量和高化学反应性常常导致加工过程中材料去除不均匀、微突起的形成以及局部表面损伤，从而增加了获得高质量表面的难度[14]、[15]、[16]、[17]。因此，开发能够在低加工损伤下实现高质量表面的抛光方法仍然是一个重要挑战。
已经探索了多种抛光技术来改善钛合金的表面质量。在机械抛光（MP）研究中，Magdalena Jarosz等人[18]使用不同粒度的Al?O?磨料对钛样品进行了抛光，但抛光后的表面仍存在明显的划痕和凹坑。DiFelice等人[19]使用含有氧化铝磨料的商用抛光轮将钛合金的算术平均粗糙度（Ra）降低到了300纳米，表明传统的机械抛光不足以实现钛合金的高质量表面。在化学和电化学抛光方面，Balyakin等人[20]优化了HF-HNO?蚀刻剂的浓度比，将SLM制造的Ti-6Al-4V样品的表面粗糙度（Ra）降低到了1.69微米。Wang等人[21]系统研究了电化学抛光参数对Ti64表面质量的影响，实现了从256纳米降至25纳米的镜面表面，并提高了耐腐蚀性。尽管化学和电化学抛光可以消除机械损伤，但它们的可控性有限、成本较高，且存在环境和安全问题。化学机械抛光（CMP）结合了化学和机械机制的优点。Zhang等人[22]开发了一种由SiO?、H?O?、苹果酸和去离子水组成的新型CMP浆料，在70×53微米2的面积上实现了0.68纳米的超光滑表面。Deng等人[23]进一步研究了pH值和H?O?浓度对Ti64 CMP性能的影响，发现通过调整pH值为4可以实现对纳米级表面光滑度的控制。尽管CMP能够实现极低的粗糙度，但它可能会引入化学残留物和潜在的表面或亚表面损伤。作为非接触式加工技术，激光抛光也被应用于钛合金。Ma等人[24]使用光纤激光技术对增材制造的Ti64合金进行了抛光，将表面粗糙度从5.226微米降低到了0.375微米。通过正交实验设计，Zhou等人[25]将Ti64的表面粗糙度从7.3微米降低到了0.6微米，同时提高了表面硬度和耐腐蚀性。然而，激光抛光需要昂贵的设备，其固有的热输入可能导致相变、热影响区和微裂纹，使得难以实现纳米级表面质量。
与传统的抛光技术不同，Lyu等人[26]提出了一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的剪切流变抛光方法，称为剪切增稠抛光（STP），该方法属于力流变抛光范畴。这种方法及其变体已成功应用于钨和碳化硅等材料[27]、[28]、[29]。例如，它实现了4H-SiC的超精密抛光，15分钟内将表面粗糙度（Ra）从13.50纳米降低到了0.30纳米[30]。Wang等人[31]进一步评估了STP及其变体对Ti-6Al-4V的抛光性能，STP迅速将表面粗糙度（Sa）从约100纳米降低到了13.8纳米，展示了其显著的抛光能力。然而，STP主要适用于复杂曲面，且材料去除均匀性不足，边缘区域容易发生塌陷。此外，加工角度会引入额外的法向力，可能导致局部表面损伤。为了解决这些问题，开发了LFSP作为STP的改进版本，专门用于平面表面[32]。LFSP通过结构化的抛光盘增强了液膜的剪切作用，从而在相同的加工条件下实现了更高的抛光效率。同时，LFSP有效减少了加工角度引起的法向力，有助于最小化表面损伤并提高表面质量。迄今为止，LFSP已成功应用于钨和碳化硅等材料，证明了其在实现高质量、低损伤表面方面的能力[33]。
在本研究中，系统地将LFSP应用于Ti64钛合金的表面抛光。通过一系列单因素实验，研究了磨料浓度、抛光盘速度、液膜厚度和抛光时间对MRR和表面质量的影响。使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）比较了MP和LFSP处理后样品的表面形态和亚表面结构。此外，还使用X射线衍射（XRD）测量了残余应力，从而全面评估了表面完整性和损伤特性。进一步进行了电化学测试，以评估LFSP处理后Ti64表面的耐腐蚀性。本研究旨在系统阐明关键LFSP参数对Ti64钛合金材料去除行为和表面完整性的影响，同时进一步探讨高质量、低损伤表面的形成及其对耐腐蚀性的影响。
样本制备
使用尺寸为10毫米×10毫米×1毫米的平面Ti-6Al-4V（Ti64，新盛金属材料有限公司）样品作为工件。在抛光之前，样品依次使用400#、800#、1000#、1200#和2000#砂纸进行预处理，以去除表面污染物和氧化层，确保初始表面条件的一致性。预处理后，样品的初始表面粗糙度约为Ra=80±10纳米。
LFSP实验
抛光实验使用...
磨料浓度
在抛光盘速度为90转/分钟、液膜厚度为2毫米和抛光时间为45分钟的情况下，研究了磨料浓度对MRR和表面粗糙度的影响。
如图2(a)所示，MRR随磨料浓度的增加而单调增加。磨料浓度从8%时为9.28纳米/分钟增加到10%时为13.42纳米/分钟，再到12%时为15.55纳米/分钟。当磨料浓度达到14%时，MRR达到最大值19.56纳米/分钟。这一趋势主要是...
结论
本研究系统地应用并验证了一种适用于Ti64钛合金的液膜剪切抛光技术。研究了LFSP工艺参数对材料去除率和表面质量的影响。从表面形态、亚表面微观结构、残余应力状态和电化学性能等多个角度阐明了高质量、低损伤表面和耐腐蚀性提升的机制。
作者贡献声明
陈鸿宇：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取、数据分析、概念构思。杨乐天：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、方法学研究、数据分析、数据管理。杨玉洁：可视化、验证、项目管理、方法学研究、数据分析。韩云晓：监督、资源管理、项目管理、资金获取、数据分析、概念构思。
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所述的工作。
致谢
我们感谢浙江省自然科学基金（LR25E040001）、国家自然科学基金（52275467、U25A20316）以及浙江省属高校基本科研业务费（RF-B2025005）的资助支持。
