一、关键器件的抗疲劳性能与表面完整性
1.1、关键器件的失效形式与表面完整性
磨损、腐蚀、断裂，是工程金属构件的三大主要失效形式。在断裂失效中，疲劳断裂的经济损失和危害最大（会危及到人员的生命安全），占比也最高：航空工业约占80%～90%，一般机器制造业约50%以上。机器或重大装备中，金属构件、工模具的磨损或疲劳破损，占比约60~80%。
构件基体材料的性能主要通过“冶金成分、轧制或锻造、热处理”等前制造过程初步获得，再采取“细晶强化、固溶强化、析出强化和加工硬化”等传统强化机制获得提高，已基本达到天花板状态，再依靠传统强化措施增强材料疲劳强度的空间十分有限。
1964年，Field M和Kahles J F提出了金属器件“表面完整性”的概念，后人持续研究，丰富和构建了指标评价体系，显著增强了关键器件的抗疲劳性能。
航空、重型装备等所用的高强度器件，对应力集中缺陷的敏感度更高，其裂纹源等敏感缺陷对疲劳寿命的影响占比更大，其表面完整性就愈加重要。
F111等军机事故，促成美国空军于1971/1974年颁布了USAF《军机安全寿命设计规范MiL-A-008866A》/《飞机损失容限需求Mil-A83444》；中国于1985和1989颁布了“军用飞机安全寿命和损伤容限设计规范”，意在强制执行“疲劳设计+损伤容限设计准则”，以提升关键器件成品和服役期的表面完整性，以增强重大装备的可靠性和安全性。
由于表面完整性的改善空间和对重大装备增寿的贡献程度较大，因此，在提高器件基材性能的前提下，同时高度重视改善其表面完整性，这是提高关键器件疲劳强度和服役寿命的正确途径。
1.2、表面完整性概念和评价指标
表面完整性：是对工件已加工表面层的改变状态和性能的总体描述，针对的是工件加工后表面200~500um以下深度的微观几何特征和材料组织特性及其改变规律。
主要评价指标有：
构件表面形貌（粗糙度、波纹度、纹理和表面缺陷、变质层状态等）；
表层组织强化指标（晶粒细化程度、位错密度、孪晶密度、强韧硬指标等）；
表层应力强化指标（残余应力状态、数值和深度等）几方面。
其中的负面指标——表面微裂纹、表面变质层、表面加工痕迹类缺陷、表面粗糙度、拉应力等，是增加应力集中系数和疲劳破损裂纹源、降低疲劳寿命的主要因素；
其中的积极指标——光洁度等低应力集中的形貌指标、晶粒细化程度、强韧化程度、适度硬化、表面残余压应力数值及其深度等，是降低疲劳裂纹扩展速度、或闭合裂纹源的重要因素，有利于提高构件的抗疲劳、抗磨损和耐腐蚀性能。
1.3、提高表面完整性的技术措施
传统的普通机加技术制造的构件，其表面完整性的指标较低，是在毫米级尺度的质控措施，表面变质层及微观缺陷普遍存在，难以满足高寿命的要求，例如，低应力精磨或简单抛光等，精磨构件的疲劳性能会高于粗加工件25%以上等，提升有限。于是科技界开展了提高金属构件“表面完整性”的持续研究，创立了“表面工程”、“抗疲劳制造”等制造技术学科，着重于微米级尺度把控表面质量，研发了金属表面强化的“后制造技术”措施，主要可分为“等材强化”和“增材强化”。
等材强化，即：在不增减金属材料的情况下，对关键构件的原位强化技术。
其传统部分包括：表面热处理强化（渗入碳、硅、氮等）、表面机械强化（挤压、滚压、各种抛丸、喷丸等（美国军标强制规定σb＞1500MPa高强度钢制零件都须喷丸强化，指传统喷丸，也有抛丸），但大多遇到瓶颈，提升空间有限。
其现代部分包括：
激光冲击（LSP、WLSP）、超声冲击UP、高动能微锻HEMF、等离子束等高能冲击强化技术，是先进的高能冲击塑变强化技术。其中HEMF的性价比较好。对构件尺度的改变，一般在10um左右，基本不影响构件精度，即使不做二次精加工，也可正常使用。
增材强化技术，主要包括：镀膜（CVD、NCT、LDC＆微增材技术）、电弧堆焊、等离子or激光熔覆等。其中的NCT，匹配特殊的纳米功能材料，能够在器件工作面镀上一层纳米级的功能类强化膜（抗高温蠕变、抗氧化或增加润滑性能等），以提高器件在恶劣工况之下的疲劳抗力和使用寿命，性价比较好。
1.4、中科多元强化技术研发基础——高应变率力学
应变率是表征材料变形速度的一种度量指标，即应变相当于时间的指标。在研究材料动态应变力学性能实验中，中应变率是10~102/s；高应变率是102~104/s；超高应变率是104~106/s。后两者对应的高能加载强化方式，就是“高动能冲击”。
高应变率力学：主要是以短历时、强动载为特征，研究金属材料的高应变率与温度、微观组织进化或相变之间的耦合问题。相关研究文献数千篇，积累了指导工业实践的良好基础。
由于传统的材料硬化存在“硬·脆共生倾向”，会同时降低材料韧性和疲劳抗力，所以，冶金或制造业的科学工作者一直在努力探索表面强化新技术，希望通过缩小材料晶粒等途径，获得“强韧性能”的同步提升，同时创建压应力层，改善表面形貌，提高表面完整性。其实现的技术措施，就是“高动能冲击”。
高速载能介质冲击靶面相当于绝热过程，大部分能量转变为靶材的微观塑变功诱发晶粒细化，同时，部分能量被转化为热能传递给靶面，从而使其温度明显升高，甚至可达到相变温度，诱发马氏体相变；合理的温升，会降低靶材屈服极限，从而辅助于细晶强化过程的深度进行。
1.5、中科高能强化技术措施的镜鉴
——高能物理“微粒子高速轰击制作超级材料”实验案例
粒径10um金属粒子被加速到600~800m/s（超过音速340m/s），高能量轰击靶面，诱发靶材发生晶粒细化（原位纳米化），借助于“精密显微摄像技术”，获得多模态视图，揭示了超高应变率之下，靶材的晶粒细化演变过程：
图1 原晶粒的动态孪生再结晶过程——显微组织细晶化的演变示意图
这个过程被称为“纳米孪晶辅助的再结晶”NTAR。微粒子轰击的速度越高、参数越合理，靶材的应变率和应变量就越大，其孪生再结晶的程度就高，随着晶粒以“双胞胎”形式反复分解成新晶粒（即孪生再结晶），晶粒也就变得越小：→微米化→纳米化，直到获得热稳定性等综合性能优异的纳米孪晶组织（理想目标是“受限晶体”）。
在针对铜材的类似实验中，铜材的强度增加约10倍。此高能物理轰击靶材的研究成果，合肥中科已借鉴于金属关键构件的细晶强化。
★★★ 中科多元强化技术——显著增强器件疲劳寿命的新技术
基于高应变率力学的动态塑变强化原理，借鉴高能物理实验的“粒子加速轰击制作超材料”案例，再结合实际工况、强化目标和性价比要素，试验、总结、优化、再试验……逐步形成了中科聚能高能强化技术HER（High Energy reinforcement）体系，主要包括LSP、WLSP、HEMF、UP；必要时与公司研发的纳米镀膜技术NCT结合使用，可获得更高的增寿效果。
根据不同的器件工况或产品价值、性价比要求，可以适配相应的HER强化技术和黄金工艺参数——通过施加足够高的适量动能冲击构件表面，激发其发生高应变率和应变量的剧烈塑变，显著提高关键构件的表面完整性，表层获得致密的“强韧坚硬层”，促使构件获得耐磨、抗疲劳性能的大幅提升。主要机理为：
（1）清理靶面变质层、消减微缺陷：如去除切削硬化层、脱碳层、氧化皮等
（2）改善表面形貌特征：消减机加纹理，弥合微缺陷，降低粗糙度和应力集中系数
（3）改善表层显微组织：晶粒变形、亚晶粒细化、晶体点阵畸变，显著增加位错密度等，在提高材料硬度的同时，提升强韧性，增强器件的疲劳抗力和耐磨损性能
（4）构建压应力层：消除易萌生裂纹的拉应力，创建压应力层，叠减器件的工作载荷，增强疲劳抗力
（5）在工作面形成微米级“浅小微凹”（浅约3um、小约几十微米/约为冲击介质粒径的一半左右），有利于储存润滑油，形成油凹，增强润滑油膜的稳定性、连续性，提高润滑性能，减小摩阻和磨损。
（6）量化研磨：量化消减微凹的显微突起，让精密度要求极高的摩擦接触面，变得更加平滑和低摩阻。
