Amanov A, Yeo I K, Jeong S H. Advanced Post-Processing of Ti-6Al-4V Alloy Fabricated by Selective Laser Melting: A Study of Laser Shock Peening and Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2025, 35: 4020-4031.
Amanov, A., I. K. Yeo, and S. H. Jeong. "Advanced Post-Processing of Ti-6Al-4V Alloy Fabricated by Selective Laser Melting: A Study of Laser Shock Peening and Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification." Journal of Materials Research and Technology 35 (2025): 4020-4031.
Amanov, A., Yeo, I. K., & Jeong, S. H. (2025). Advanced Post-Processing of Ti-6Al-4V Alloy Fabricated by Selective Laser Melting: A Study of Laser Shock Peening and Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification. Journal of Materials Research and Technology, 35, 4020-4031.
背景简介
Ti-6Al-4V作为一种钛基合金，因其具有高比强度、耐腐蚀性等优势而受到关注，这种特性在航空航天、核和生物医学应用中必不可少。同时，增材制造工艺的革命性发展使由Ti-6Al-4V制成的机械部件成为可能。其中选区激光熔融 (Selective Laser Melting，SLM) 作为一种增材制造 (Additive Manufacturing，AM) 技术，可以打印多种材料。然而，通过SLM制备的Ti-6Al-4V部件存在一些固有缺陷。由于AM材料的强度和疲劳行为在很大程度上取决于表面和内部微观组织的质量，后处理是克服这些问题的理想解决方案。其中，激光冲击强化 (Laser Shock Processing，LSP) 和超声纳米晶表面改性 (Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification，UNSM) 技术在改善金属材料性能方面的作用都得到了成功证实。LSP利用高能量密度的激光脉冲产生的冲击波作用于材料表面，使表面产生塑性变形并引入残余压应力，从而提高材料的疲劳性能和抗裂纹扩展能力。UNSM 则是通过超声振动工具头对材料表面进行高频冲击，使表面层产生塑性变形，形成纳米晶结构，进而改善材料的表面硬度、耐磨性和耐蚀性。
本研究旨在研究LSP和UNSM技术以不同顺序单独和组合应用于SLM Ti-6Al-4V后表面完整性、强度、残余应力和耐磨性的变化，并找到最佳的处理和顺序，同时评估LSP和UNSM技术的组合是否比单独的LSP和UNSM处理更具协同性和有效性。
成果介绍
（1）LSP能在一定程度上改善材料的表面形貌，但UNSM处理的样品比未处理和LSP处理的样品表面都更加均匀、光滑。LSP和UNSM技术的组合具有协同效应，无论它们的顺序如何，都能有效改善SLM Ti-6Al-4V的表面形态。图1显示了未处理、LSP处理、UNSM处理、LSP+UNSM处理和UNSM+LSP 处理的样品表面粗糙度。未处理样品表现出9.96 ± 0.90 μm的高表面粗糙度值，在LSP处理后增加到12.10 ± 1.04 μm，但在 UNSM 处理后显著降低至 1.07 ± 0.06 μm。当LSP和UNSM技术组合应用时（LSP + UNSM和UNSM + LSP），表面粗糙度分别进一步降低至1.53 ± 0.25 μm和1.60 ± 0.11 μm，但仍高于UNSM处理样品。
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图1 未处理、LSP处理、UNSM处理、LSP + UNSM和UNSM + LSP技术的表面粗糙度结果
（2）LSP+UNSM和UNSM+LSP技术的组合对硬度增强显示出协同效应（图2）。LSP处理和UNSM处理样品的表面硬度分别为343.3 HV和352.0 HV。在LSP+UNSM处理的样品中观察到的平均表面硬度为364.4 HV，而UNSM+LSP处理的样品表现出略高的硬度，为367.3 HV。
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图2 未处理、LSP处理、UNSM处理、LSP+UNSM和UNSM+LSP处理样品的维氏硬度深度分布
（3）LSP和UNSM技术的组合可以细化晶粒并诱导压缩残余应力（Compressive Residual Stress，CRS）。如图3所示，LSP和UNSM处理的组合显示峰位置的变化最大。这表明两种处理具有累积效应，在表面区域产生了显著的CRS，并且可能产生了更高的应变，从而提高了SLM Ti-6Al-4V的机械性能。
经过LSP和UNSM组合处理后，表面拉残余应力转变为CRS。如图4所示，LSP + UNSM处理的样品显示出最高的CRS值，为-705 MPa，与 UNSM 处理的样品相似。值得注意的是，在UNSM + LSP处理中，UNSM处理引入的CRS会被随后的LSP处理部分缓解。
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图3 未处理、LSP处理、UNSM处理、LSP+UNSM和UNSM+LSP处理样品的（a）XRD图和（b）局部放大图像
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图4 未处理、LSP处理、UNSM处理、LSP+UNSM和UNSM+LSP处理样品的表面残余应力分布
（4）图5显示了LSP处理和UNSM处理样品的磨损率分别从3.57×10-8降低到3.04×10-8 mm3/N×m和2.06×10-8 mm3/N×m。与未处理和LSP处理的样品相比，LSP + UNSM和UNSM + LSP联合处理有效降低了COF并提高了耐磨性。
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图5 未处理、LSP处理、UNSM处理、LSP+UNSM处理和UNSM+LSP处理样品的磨损率
（5）图6表明，在LSP处理、UNSM和LSP + UNSM处理的样品中，UNSM + LSP处理样品的拉伸强度和伸长率最高（分别为1251 MPa 和12.8%）。UNSM处理的样品具有与LSP + UNSM处理的样品相似的拉伸强度，但伸长率比LSP + UNSM处理的样品差。
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图6 未处理、LSP处理、UNSM处理、LSP+UNSM处理和UNSM+LSP处理样品的应力-应变曲线
致谢
感谢Tampere大学和Tampere大学图书馆提供的经费支持。本文第一作者：A. Amanov（Tampere University），本文通讯作者：A. Amanov（Tampere University）。
本期小编 闵 琳（整理）
董乃健（校对）
程 航（审核）
董乃健（发布）
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