在医疗器械、航天航空、模具等行业,其产品表面光洁度和性能要求不断提升,传统的机械抛光和电化学抛光等技术,已难以满足要求。近几年,高能束微熔凝抛光技术因具有非接触加工、可改善表面性能、易实现自动化等特性而受到广泛关注。但相对于传统抛光技术,高能束微熔凝抛光的相关机理和规律、工艺模型等还有待深入研究。由于微束等离子弧是一种稳定性强、弧柱温度高、能量传递效率高、热影响区小的等离子体高能束,有良好的经济性和可控性,并具备可在大气环境下工作等特点。为此,本文采用实验研究和模拟仿真相结合的方法,针对不锈钢金属表面的微束等离子弧抛光加工技术开展了深入研究。主要研究内容及成果如下。研究了奥氏体不锈钢中C、N、Si、S等微量元素对微束等离子弧作用后表面形貌影响的机制和规律。实验发现:较低碳含量的不锈钢材料在微束等离子弧抛光中更容易获得具有金属光泽的光滑加工表面;氮元素会导致加工表面在微束等离子弧抛光中产生火山口结构和裂纹缺陷;硅元素和硫元素会导致奥氏体不锈钢表面生成具有周期性分布的微结构,分别呈现为边缘凸起且圆滑的鱼鳞纹结构和表面起伏平缓的鱼鳞纹结构。这表明微束等离子弧抛光效果受材料组成影响显著,在加工过程中易生成低熔点、低密度夹杂物的金属材料不适用于高能束抛光工艺。通过单道线性扫描的实验研究方法,探讨了主弧电流、喷嘴高度、扫描速度、离子气流量和扫描次数这五种工艺参数对加工区域表面形貌的影响规律,为优化微束等离子弧抛光工艺提供指导。实验结果表明,升高主弧电流、增加喷嘴高度、减小扫描速度是提高等离子弧线能量输入的有效手段。线能量输入为90 J/mm～110 J/mm时,对应抛光效果线粗糙度((6（6）降低率高于85%。离子气流量对线能量输入无影响,但与电弧中心压力峰值正相关,离子气流量达到0.4 L/min后,处于等离子弧中心的加工区域表面均匀性会显著降低。除影响等离子弧特性的工艺参数,通过对同一区域的多次扫描也可改善加工表面光洁度。原始线粗糙度((6（6）为5.20±0.13μm的试样,扫描次数由1增加至3时,其((6（6）可从1.12±0.01μm继续减小至0.41±0.05μm。为了研究基底材料在快速微熔凝过程中的表面和次表面特征演变规律,采用纳米压痕实验、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜分别研究了AISI 304奥氏体不锈钢在不同工艺参数条件下的力学性能、表面组成、微观结构。结果表明,试样抛光区域的纳米压痕硬度和弹性模量可得到显著改善。但重熔次数达到4时,柱状树枝晶一次和二次枝晶间距明显增大,分布在奥氏体基体上的δ-铁素体细化、减少,纳米压痕硬度增幅降低。因此,在微束等离子弧多道线性扫描抛光中需避免过小扫描间距产生重熔次数大于4的抛光区域。此外,抛光后试样Cr2O3组分的谱峰强度减弱,而Cr组分的谱峰强度增加,说明在微束等离子弧抛光形成的再凝固层中,Crmet成分变得丰富或更加均匀分布。同时,Fe2O3和Fe3O4组分的谱峰强度明显增强,而Femet组分的谱峰强度却明显减弱,这说明在微束等离子弧抛光中主要由Fe和O反应生成了Fe2O3和Fe3O4金属氧化物。采用多道线性扫描的实验研究方法,探讨了扫描间距对加工表面形貌的影响规律,为优化奥氏体不锈钢表面的微束等离子弧抛光工艺提供指导。基于线粗糙度和面粗糙度分析,对抛光后表面形貌进行了材料承载比和功率谱密度的对比研究,深入揭示了扫描间距变化对加工表面形貌的影响规律。实验发现,扫描间距为900μm～1100μm时,原始粗糙表面分布的空间频率高于0.004μm-1的高频微结构得到显著降低,但在相邻轨迹的重叠处产生了沿扫描方向凸起的空间频率低于0.004μm-1的低频结构,形成结构化纹理抛光表面。因结构化纹理表面的生成会阻碍粗糙度的进一步降低,面粗糙度((6（6）只能从8.67±0.12μm下降到0.79±0.06μm。为了研究微束等离子弧抛光过程中奥氏体不锈钢基体微熔池演变的动态过程,构建了包含磁场、电场、流动场、温度场的微束等离子弧抛光过程的二维轴对称瞬态模型,并在COMSOL Multiphysics 5.3平台上进行了有限元模拟。在该模型中,由于通过功率谱密度法表征了真实表面形貌,与理想平面的模型相比,可准确模拟出表面凸峰附近出现的电流密度聚集现象,且所模拟的温度误差小于8%。模拟结果可用于分析等离子弧温度分布、基体液相熔池分布、气-液交界即所加工表面轮廓演化规律。通过模拟发现,原始表面各处存在的曲率差会在表面张力作用下趋向一致,从而平滑原表面轮廓上的高频成分,但Marangoni效应会继续驱使熔池内的速度方向由熔池中央指向熔池边缘,形成中心低边界高的熔池表面,增加抛光后表面轮廓上的低频成分。通过附加初始高斯分布温度场,模拟了不同扫描间距对抛光影响规律,发现随着扫描间距的减小,熔池内Marangoni效应会减弱,所生成的低频结构的峰谷高度差会随之减小。从而进一步揭示了扫描间距对多道线性扫描抛光效果的影响机制。