Inconel 718因其強(qiáng)度和耐用性而通常用于海事和航空航天行業(yè)，特別是在磁盤、風(fēng)扇葉片和高壓壓縮機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部件中。作為一種新型的3D打印技術(shù)，定向能量沉積（DED）可以使用激光熔化金屬粉末或電線，直接從定制數(shù)據(jù)中制造任意形狀的工件，從而使加工更加協(xié)同和直觀。然而，DED印刷Inconel 718樣品的表面性能，如表面粗糙度和耐磨性，通常低于標(biāo)準(zhǔn)。通過在近表面引入嚴(yán)重的塑性變形，超聲波納米晶體表面改性（UNSM）可以用作后處理方法，并導(dǎo)致性能改變。單軸拉伸試驗(yàn)顯示，UNSM處理的Inconel 718具有更高的機(jī)械性能。此外，根據(jù)平面上缸協(xié)議使用熔斷測(cè)試鉆機(jī)，可以觀察到UNSM處理的Inconel 718具有更高的耐磨性。本研究采用有限元方法來充分理解聯(lián)合國(guó)軍對(duì)磨損性能的影響。Inconel 718合金的磨損過程是使用基于能量的有限元模型建立的?？紤]到嚴(yán)峻的實(shí)際場(chǎng)景，實(shí)施了Johnson-Cook本構(gòu)模型，線性各向同性硬化模型捕獲了塑料行為。與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相比，有限元結(jié)果顯示了前所未有的磨損損失一致性，誤差小于2%。因此，我們得出結(jié)論，本研究中構(gòu)建的有限元模型具有很高的準(zhǔn)確性，可用于分析UNSM對(duì)磨損行為的影響。根據(jù)有限元分析，隨著正常負(fù)載的增加，UNSM引起的耐磨性改善會(huì)降低。鑒于有限元模型基于能量法，分別研究了UNSM修改的摩擦系數(shù)（COF）和磨損系數(shù)的影響。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，UNSM修改的COF和磨損系數(shù)在確定磨損特性方面發(fā)揮著重要作用。由于通過磨損從Inconel 718表面的中心區(qū)域去除了大量材料，也可以觀察到嚴(yán)重的塑料應(yīng)變主要集中在磨損疤痕的邊緣。

介紹

在簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，超合金是含有至少一種鎳、鈷或鐵元素的合金，在極端環(huán)境中表現(xiàn)出高性能和優(yōu)異的穩(wěn)定性1。由于每種類型的超合金中存在各種元素，通過多年的工業(yè)生產(chǎn)，已經(jīng)開發(fā)了定制的性能和應(yīng)用2,3,4。其中一個(gè)超級(jí)合金，即鎳基合金，具有非凡的機(jī)械強(qiáng)度和抗蠕變性5。Inconel 718是鎳基超級(jí)合金家族，被認(rèn)為是最常用的6。Alloy 718在航空航天、能源（石油、天然氣）勘探和發(fā)電行業(yè)有廣泛的應(yīng)用7。具體來說，卓越的機(jī)械性能，包括對(duì)應(yīng)力水平和溫度（高達(dá)1400°C）的高耐受性，使其有資格在特別惡劣的環(huán)境中使用。值得注意的是，Inconel 718廣泛用于關(guān)鍵機(jī)械部件，如核反應(yīng)堆以及商用和軍用飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)8,9。隨著全球能源短缺和對(duì)燃油效率的追求，航空航天業(yè)尋求將高機(jī)械性能和可靠性與輕質(zhì)部件相結(jié)合10。

傳統(tǒng)上，Inconel 718工件主要使用減法技術(shù)（例如銑削、車削和鉆孔）和冶金工藝（焊接、鑄造和鍛造）11,12制造。然而，由于其非凡的機(jī)械性能，很難獲得所需的復(fù)雜幾何形狀12。此外，傳統(tǒng)加工中的刀具高度耐磨，導(dǎo)致過度停機(jī)和成本高13。為了應(yīng)對(duì)上述問題，增材制造（AM）已投入生產(chǎn)，并作為一種新興的加工和成型概念顯示出前所未有的優(yōu)勢(shì)14。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件的發(fā)展，定向能量沉積（DED）成為金屬零件最先進(jìn)的AM技術(shù)之一15。DED可以使用激光熔化金屬粉末或電線，直接從定制的CAD數(shù)據(jù)中制造任意形狀的產(chǎn)品。與其他AM技術(shù)相比，DED使Inconel 718的制造更具協(xié)同性和直觀性，同時(shí)確保良好的整體性能保持。此外，DED保持的粉末或電線沉積率遠(yuǎn)高于SLM和EBM。它直接導(dǎo)致大型零件的快速原型，導(dǎo)致成本效益和產(chǎn)量的顯著提高。此外，DED與多軸加工工具兼容，這有助于加工瑣碎的表面細(xì)節(jié)，并改善了廣泛后處理的集成。除了各種致密材料外，DED還可以制造功能分級(jí)材料（FGMs）。從SS316L到Inconel 718到基于SS304L基板的銅的分層結(jié)構(gòu)是通過DED系統(tǒng)18實(shí)現(xiàn)的。在進(jìn)行材料選擇和設(shè)計(jì)時(shí)，有限元法（FEM）預(yù)測(cè)的應(yīng)力分布將具有指導(dǎo)意義19。DED還可用于表面涂層、零件維護(hù)和修復(fù)缺陷，如空腔、裂縫和分層20,21,22。例如，具體來說，激光工程網(wǎng)塑（LENSTM）是一個(gè)基于DED的系統(tǒng)，用于Inconel 718內(nèi)部缺陷修復(fù)23。光學(xué)顯微鏡觀察顯示，粘結(jié)組分具有良好的融合和平穩(wěn)過渡，沒有空隙夾雜物20。

壓縮機(jī)盤、軸和渦輪機(jī)外殼面臨煩動(dòng)磨損，這是其主要工程挑戰(zhàn)之一，導(dǎo)致材料損失、裂縫引發(fā)和磨損失效周期的顯著減少24,25。顫動(dòng)磨損是兩個(gè)接觸表面之間小振蕩運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的近界面損傷的多學(xué)科行為。在DED的幫助下，鎳基合金有可能應(yīng)用于密封件、緊固件、船用儀器部件等，其形狀難以加工，容易磨損26。與鍛造合金相比，DED印刷合金往往會(huì)犧牲表面特性，并表現(xiàn)出不良的表面形態(tài)14,16,27。這是部分合金粉末飛濺和球狀效應(yīng)的結(jié)果，導(dǎo)致高粗糙度和差耐磨性。例如，DED制造的氧化鋯硬化氧化鋁（ZTA）表現(xiàn)出糟糕的平整度質(zhì)量和粗糙度28。因此，不良的摩擦學(xué)屬性嚴(yán)重限制了預(yù)期的應(yīng)用領(lǐng)域29。為了定義和擴(kuò)大Inconel 718的應(yīng)用領(lǐng)域，需要進(jìn)行表面質(zhì)量檢查和隨后的修改。

作為一種先進(jìn)的后處理技術(shù)，UNSM可以增強(qiáng)物質(zhì)的近表面特性，并實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用30,31,32。UNSM誘導(dǎo)表面嚴(yán)重塑性變形（SSPD）以及微觀結(jié)構(gòu)中的梯度晶粒層，這改變了材料的機(jī)械性能和表面粗糙度，從而提高了其耐磨性33。晶粒尺寸及其分布是微觀結(jié)構(gòu)的主要表現(xiàn)，UNSM能夠?qū)⒋志ЯＬ釤挸杉{米顆粒（小至50納米），其分布有梯度偏移34。晶粒尺寸在靠近表面的地方更細(xì)，并且在深度方向上逐漸增加。相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聯(lián)合國(guó)軍部技術(shù)在優(yōu)化機(jī)械和摩擦學(xué)性能方面發(fā)揮了有效作用35,36,37。通過調(diào)整定義明確的工藝參數(shù)（如正常負(fù)載、振幅、頻率和進(jìn)給率）來優(yōu)化表面質(zhì)量的能力是UNSM技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)之一34。UNSM為一組給定的工藝參數(shù)帶來的粗糙度和硬度的平均增量值分別為58%和27%38。此外，Inconel 718的COF和磨損系數(shù)分別降低了18.18%和13.91%。

雖然煩躁磨損模擬被認(rèn)為是一個(gè)重要的工程問題，但它是一個(gè)相對(duì)較新的計(jì)算研究領(lǐng)域。值得注意的是，由于計(jì)算能力39的快速發(fā)展，F(xiàn)EM已成為分析各種材料力學(xué)性能的最有效方法之一。Archard的模型和耗散能量模型是過去二十年來最流行的煩惱磨損計(jì)算算法。在Archard模型的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一個(gè)基于FEM的磨損過程標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值程序24。Fouvry和Sauger40,41就基于能量的煩惱磨損計(jì)算及其應(yīng)用進(jìn)行了額外的研究。此外，還研究了這種用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)部件的高強(qiáng)度鋼的磨損參數(shù)的演變。

與之前的研究相反，DED制造的Inconel 718的煩躁磨損行為不足。此外，有必要深入研究UNSM如何提高Inconel 718的耐磨性。為了研究聯(lián)合國(guó)軍備工團(tuán)對(duì)磨損性能的影響，在這項(xiàng)工作中開發(fā)了一個(gè)基于能量耗散模型的有限元磨損模型。此外，還研究了每個(gè)UNSM優(yōu)化參數(shù)對(duì)磨損性能的影響，以更深入地了解UNSM在增強(qiáng)材料耐磨性方面的機(jī)制。

實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)

材料和測(cè)試臺(tái)

最初，樣品由激光65（DMG Mori）從Inconel 718粉末中打印，使用線切割系統(tǒng)，Inconel 718樣品然后形成骨形狀。然后用UNSM對(duì)樣品的表面進(jìn)行處理，形成硬化層。由于其極高的硬度，碳化鎢被選為UNSM工藝中的打擊球材料。