鄒 云， 王起龍， 李 陽， 盧政彤， 劉書豪， 張銀霞

(1.鄭州大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.鄭州大學(xué) 抗疲勞制造技術(shù)河南省工程實驗室，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著機械設(shè)備輕量化要求的提高，超輕鎂鋰合金在航空航天、3C、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。這得益于其比強度和比剛度高、密度小及易于回收等優(yōu)異性能。但是，由于鎂鋰合金強度低、耐腐蝕性較差，限制了其廣泛應(yīng)用[1]。因此，如何提高鎂鋰合金的機械性能和耐腐蝕性能亟需解決。通常改善材料機械性能和耐腐蝕性能的手段為合金化[2]、熱機械處理(如軋制、擠壓)[1]和表面涂層[3]等，但這些方法各有不足，例如，合金化容易造成元素污染和浪費、熱機械處理損害材料塑性、材料表面的涂層較脆且易脫落。近年來，表面嚴(yán)重塑性變形強化技術(shù)被提出以解決這些問題，通過對材料進行處理達到了提高材料的機械和耐腐蝕性能的目的。

當(dāng)前在金屬材料表面獲得表面嚴(yán)重塑性變形層的技術(shù)主要包括噴丸[4]、激光沖擊強化[5]和UNSM等。UNSM是一種新興的冷加工方法，與其他表面變形強化技術(shù)相比，能夠改善材料的表面形態(tài)，具有操作簡單、環(huán)保、可控性強等優(yōu)點。最近，部分學(xué)者研究了UNSM技術(shù)對鎂合金的機械性能和耐腐蝕性能影響。Hou等[6]利用UNSM處理AZ31B鎂合金，結(jié)果表明UNSM可以顯著改善鎂合金的力學(xué)性能而不損害其腐蝕速率。Amanov等[7]利用UNSM處理AZ91D鎂合金，在其表面產(chǎn)生約100 μm厚的納米晶層，UNSM處理后的試樣摩擦減少了23%，磨損減少了30%。

目前，利用UNSM技術(shù)強化鎂合金的研究較少，特別是雙相鎂鋰合金。雖然前人已經(jīng)做了一些工作，但對于工藝參數(shù)的多因素影響及影響程度的研究很少，沒有得到合適的鎂合金處理工藝參數(shù)。因此，本文采用正交試驗法，研究UNSM工藝參數(shù)對表面硬度、表面粗糙度和硬化層深度的綜合影響，并對影響因素進行顯著性分析，優(yōu)選出適合LA106鎂鋰合金的UNSM工藝參數(shù)。

1 試驗方案

1.1 強化設(shè)備及方法

試驗材料選用中國鋁業(yè)股份有限公司提供的鑄態(tài)LA106鎂鋰合金，其化學(xué)成分(以質(zhì)量分數(shù)計)為：Li含量10.02%，Al含量5.69%，Er含量0.08%，Mg余量。首先對鎂鋰合金進行均勻化處理，處理工藝為573 K下保溫12 h；然后對試樣進行軋制處理，軋制總變形量約為30%，道次下壓量約為5%；最后對軋板進行UNSM處理。UNSM處理試驗設(shè)備的主要性能指標(biāo)：移動速度為1 000～3 500 mm/min，間距為0.05～0.3 mm，靜壓力為0.05～0.35 MPa，工具頭直徑為14 mm，振幅為10 μm。試驗處理示意圖如圖1所示，其工作原理為：在靜壓力的作用下，超聲波引起工具頭產(chǎn)生超聲頻振動連續(xù)沖擊工件表面，從而進行加工。為了得到合適的工藝參數(shù)，采用正交試驗方法對影響強化效果的因素進行科學(xué)地分析[8]。對UNSM處理強化效果起主要作用的3個因素為靜壓力、移動速度和間距，其中各試驗因素均安排3個水平量，因素和水平表如表1所示。

表1 因素和水平Table 1 Factors and levels

基于3因素3水平，選用L9(34)正交表。試樣經(jīng)UNSM技術(shù)強化處理后，其硬度和粗糙度都發(fā)生了不同程度的改變,硬度和硬化層深度在一定程度上影響著材料的力學(xué)性能,表面粗糙度對材料的疲勞性能和耐腐蝕性能具有明顯影響[9-10]。因此，試驗性能指標(biāo)為材料的表面硬度、表面粗糙度和硬化層深度。

1.2 表征設(shè)備及方法

利用Bruker Nano Inc公司的NPFLE型三維表面形貌測量系統(tǒng)測定試樣的表面粗糙度(Ra)，測試面積為472 μm×629 μm。試樣的三維形貌如圖2所示。為確保試驗結(jié)果的可靠性，每個試樣均測試5次。

圖2 7號試樣的三維形貌Figure 2 3D topography of sample No. 7

使用HV-1000型維氏顯微硬度計測定經(jīng)過UNSM處理的試樣表面硬度和截面梯度硬度。為了確定硬化層深度，在合金截面上沿背離處理表面垂直方向按照50 μm間隔測試梯度硬度。試驗力為0.5 N，載荷保持10 s。每個試樣均測試5次，試樣截面的梯度硬度壓痕照片如圖3所示。

圖3 7號試樣截面的梯度硬度壓痕照片F(xiàn)igure 3 The indentation image of cross-sectional microhardness with depth of sample No. 7

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

表面硬度值和硬化層深度越大，材料的強度越高；表面粗糙度值越小，應(yīng)力集中系數(shù)越小，材料的疲勞裂紋越難產(chǎn)生，從而提高疲勞性能。為了更好地表征UNSM技術(shù)的綜合強化效果，采用多指標(biāo)公式評分法對試樣的表面硬度、表面粗糙度和硬化層深度進行評估[11]。該方法的具體步驟如下：對于各項指標(biāo)的最優(yōu)結(jié)果，賦10分；最差結(jié)果賦1分；其余試樣各項指標(biāo)的分數(shù)，根據(jù)插值法給定分數(shù)。本文認為表面硬度、表面粗糙度和硬化層深度對材料綜合性能的影響程度相當(dāng)，3項指標(biāo)權(quán)重都為1，因此其評分公式為：評分=表面硬度分值+表面粗糙度分值+硬化層深度分值。

2 結(jié)果與分析

依據(jù)試驗測定結(jié)果并利用上述方法進行分析，可得到正交試驗結(jié)果及評分如表2所示。通常正交試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析方法分為直觀分析法和方差分析法。直觀分析法可以獲得試驗工藝參數(shù)的最佳組合，而通過方差分析法進行顯著性分析，可以更嚴(yán)謹精確地得到各試驗因素對結(jié)果的影響程度[8]。因此，為了準(zhǔn)確地對試驗結(jié)果進行分析，利用直觀分析法獲得UNSM技術(shù)處理鎂鋰合金工藝參數(shù)的最佳組合；采用方差分析法分析各因素對表面硬度、表面粗糙度和硬化層深度的影響程度。根據(jù)式(1)和式(2)計算均方比[8]，可得到方差分析結(jié)果如表3～6所示。

(1)

(2)

式中：Fj為均方比；MSj為平均離差平方和；MSe為平均誤差離差平方和；SSj為每個因素的離差平方和；fj為每個因素的自由度；SSe為誤差離差平方和；fe為誤差e的自由度；r為因素數(shù)；n為試驗總次數(shù)；m為水平數(shù)；Kij為各因素每個水平對應(yīng)的試驗結(jié)果之和；xi為每組試驗的結(jié)果值。

表2 UNSM處理后的正交試驗結(jié)果Table 2 Orthogonal test results after UNSM treatments

參考F分布表可計算得到臨界值Fα(n1，n2)，其中n1=fj，n2=2(離差平方和自由度)，α取0.05，有F0.05(2，2)=19.0。當(dāng)F≥F0.05時，有95%的把握認為其對結(jié)果有顯著影響。

2.1 各因素對表面硬度的影響

由表2可知經(jīng)過UNSM處理后，LA106鎂鋰合金的表面硬度明顯增加，這可能歸因于材料的加工硬化和表層晶粒細化[12]。結(jié)合表3的方差分析結(jié)果可以得出結(jié)論：靜壓力對LA106鎂鋰合金的表面硬度具有顯著影響，隨著靜壓力的增加，表面硬度逐漸增加;而移動速度和間距對表面硬度的影響程度較小;按照影響程度由強到弱的順序依次為靜壓力、移動速度和間距。

表3 表面硬度的方差分析結(jié)果Table 3 Variance analysis results of surface hardness

2.2 各因素對表面粗糙度的影響

根據(jù)表2可知UNSM技術(shù)可以改變LA106鎂鋰合金的表面粗糙度。與噴丸或水射流等表面強化技術(shù)相比，UNSM處理后試樣的表面粗糙度未發(fā)生明顯惡化[13-14]。由表4的方差分析結(jié)果可以看出：靜壓力、移動速度和間距的變化對LA106鎂鋰合金的表面粗糙度影響很小。Ye等[15]使用不同的靜壓力對AZ31B鎂合金進行強化處理，結(jié)果表明，表面粗糙度基本沒有發(fā)生明顯變化，這與本次試驗結(jié)果基本一致。

表4 表面粗糙度的方差分析結(jié)果Table 4 Variance analysis results of surface roughness

2.3 各因素對硬化層深度的影響

材料經(jīng)過表面強化手段處理后，表層會形成一定深度的硬度梯度場，這有益于改善材料的疲勞和耐摩擦磨損性能[7,16]。在UNSM處理后的試樣截面上，沿處理表面垂直方向進行顯微硬度測試，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明經(jīng)過UNSM處理后，LA106鎂鋰合金表層形成了硬度梯度場。由圖4可近似估計出經(jīng)過UNSM處理后LA106鎂鋰合金的硬化層深度。由于UNSM是一種表面強化工藝，僅能對材料表層產(chǎn)生影響，因此硬度值隨深度的增加逐漸趨于穩(wěn)定。結(jié)合表5硬化層深度的方差分析結(jié)果可以得出結(jié)論：靜壓力對LA106鎂鋰合金的硬化層深度影響最大，隨著靜壓力增大，硬化層深度變大;移動速度和間距對硬化層深度基本沒有影響。

圖4 UNSM處理后LA106鎂鋰合金的截面顯微硬度隨深度的變化Figure 4 Cross-sectional microhardness of LA106 Mg-Li alloy with depth after UNSM treatments

表5 硬化層深度的方差分析結(jié)果Table 5 Variance analysis results of depth of hardening layer

2.4 各因素對綜合強化效果的影響

為更好地反映出工藝參數(shù)對試驗結(jié)果的影響，采用直觀分析法分析綜合強化效果，即UNSM處理對表面硬度、表面粗糙度和硬化層深度的綜合影響。根據(jù)表2中各個因素每一水平對應(yīng)的評分的均值可得到各因素對綜合強化效果影響的曲線效應(yīng)圖，如圖5所示。由圖5可獲得最好強化效果的最優(yōu)水平組合：靜壓力為0.3 MPa，間距為0.05 mm，移動速度為1 500 mm/min。通過方差分析得到各因素對LA106鎂鋰合金綜合強化效果影響程度，如表6所示。可得出初步結(jié)論：靜壓力對UNSM技術(shù)的綜合強化效果影響較大，間距次之，移動速度最小。

圖5 各因素的綜合強化效果圖Figure 5 Comprehensive enhancement effect plot of UNSM of every factors

表6 綜合強化效果的方差分析結(jié)果Table 6 Variance analysis results of comprehensive enhancement effect

3 結(jié)論

(1)UNSM工藝參數(shù)對表面硬度和硬化層深度影響程度的顯著性由大到小依次為靜壓力、移動速度和間距。隨著靜壓力的增加，表面硬度和硬化層深度逐漸增大。靜壓力、間距和移動速度對表面粗糙度基本沒有影響。

(2)UNSM工藝參數(shù)對LA106鎂鋰合金綜合強化效果影響程度由大到小的順序為靜壓力、間距、移動速度。

(3)在本次試驗所研究的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)組合：靜壓力為0.3 MPa，間距為0.05 mm，移動速度為1 500 mm/min。