背景简介

激光冲击强化（LSP）作为一种有效的技术，越来越多地应用于改善不同类型金属部件的力学性能和表面性能，作为提高其疲劳寿命行为的一种手段。如已有文献所述，LSP技术应用的主要效果在于产生相对较深的压缩残余应力场，从而改善了机械性能。作为一种创新的表面处理技术，它能够在金属部件表面下产生一层压缩残余应力场。这种处理的主要效果是增强材料的疲劳、腐蚀和耐磨性。最初开发LSP技术是为了提高航空应用中使用的材料（特别是铝合金）的抗疲劳开裂能力，但是这项技术在不锈钢和钛合金等材料中也显示出良好的运用效果。这种激光处理零件导致寿命的改善，使大量工业运用成为可能，这是由于新型强大激光源的商业可用性，能够提供高于GW/cm²水平的脉冲强度。这些应用的一个重要例子是飞机燃气涡轮发动机部件的LSP处理，以减轻异物损伤(FOD)。目前正在评估LSP的其他潜在应用，如汽车发动机部件、生物医学植入物和能源发电厂涡轮叶片的处理。

Ti-6Al-4V合金具有低密度、高强度、抗疲劳性和可成形性，以及优异的耐腐蚀性。这种机械和物理性能的结合使其在不同的工业领域具有吸引力，例如航空航天工业（用于发动机部件，如压缩机叶片，工作温度在400-500 ºC范围内）。此外，由于其与人体的生物相容性，Ti-6Al-4V用于替代髋关节、膝关节、肩关节和腕关节的医疗假体以及牙科植入物。通常在需要耐低温至中等温度、轻重量和优异耐腐蚀性的任何应用中考虑使用。因此，研究LSP表面处理技术对该种材料的性能影响以及这种强化的热稳定性具有重要意义。

成果介绍

（1）在所有LSP样品中均未观察到滑移、孪晶或内部裂纹，但由于LSP处理，观察到晶粒尺寸减小。图1显示了LSP强化前热处理（PLSP）、LSP强化和LSP+后热处理三种试样，通过交叉法获得的样品相对于深度的平均晶粒尺寸。由于LSP工艺，在表面以下的大约20–40 µm处，晶粒尺寸明显减小，在表面附近甚至达到80%。同样，LSP强化后进行热处理增加了LSP强化所减小的晶粒尺寸。在LSP导致晶粒尺寸减小的区域，由于LSP后退火，观察到大约20%的晶粒尺寸增加。

图1 通过交叉法获得的PLSP、LSP处理（LB/TB）和LSP+热处理（LC/TC）条件下Ti-6Al-4V深度的平均晶粒尺寸

（2）Ti-6Al-4V在几种处理状态下的深度硬度分布如图2所示。Ti-6Al-4V原材料表面的显微硬度为~356 HV。该显微硬度在1 mm深度下降至约350 HV。PLSP处理状态，表面的显微硬度降低至~291.5 HV，1 mm深的显微硬度降至280 HV，降低了18–20%。在PLSP处理过的样品表面，LSP工艺将显微硬度提高至~370 HV，这意味着热处理后样品的显微硬度提高了27%，而相对于制造合金的显微硬度则提高了4%。LSP+热处理后，表面的显微硬度降低至约315 HV，这意味着与未经后续热处理的LSP处理样品相比，显微硬度降低了15%。在1 mm深度处，该处理状态下材料的显微硬度为~287 HV。然而，LSP处理后退火样品的显微硬度相对于表面处于PLSP状态的材料保持约8%的增加，在1 mm深度处略微更高。显微硬度在深度方向上逐渐降低，因为压缩应力波的强度沿着喷丸表面的深度降低。

图2 Ti-6Al-4V的硬度随材料深度的变化。左图：PLSP和LSP处理（LB/TB）。右：PLSP和LSP+热处理后（LC/TC）

（3）作为一种主要的微观结构效应，LSP处理导致位错密度的大幅增加，这种效应在LSP强化完进行退火处理后略有降低，但已经清楚地观察到，在这种热老化循环后，这种效应仍保持在高于三个数量级的程度。在未经处理的样品上，位错密度可忽略不计。LSP处理引起的显微硬度增加归因于该处理引起的位错密度增加。位错强化理论证明了位错密度对提高材料硬度的贡献。高密度位错缠结在一起，防止塑性变形期间其他位错的产生和移动，因此，显微硬度提高了。

由于LSP处理产生的位错密度显著增加，表面以下最初几微米的晶粒尺寸减小与观察到的硬度增加一致。高速位错适应LSP过程中极高的应变率变形，并产生位错胞和亚晶粒网格。位错密度增加和晶粒尺寸减小导致硬度增加。LSP产生的这些效应通过模拟合金通常使用的工作条件的LSP后退火处理而部分减少。然而，在LSP处理之前的状态下，晶粒尺寸仍有一定的减小，位错密度和硬度仍有明显的增加。这表明LSP处理改善了Ti-6Al-4V合金对使用该合金的严重热条件的耐受性。

图3 Ti-6Al-4V中的位错密度与深度的关系。左图：LSP处理样品的位错密度和位错密度硬化模型。右图：LSP处理和LSP热处理后样品的位错密度以及剩余位错密度模型

（4）通过三种互补测量技术（中子衍射、X射线衍射和钻孔法）获得的残余应力与作者先前发表的数值模型以及微观结构的测量修改完全一致。显微硬度和残余应力场可以适当地追溯到LSP处理产生的位错密度的增加。所有这些结果共同支持以下结果：通过将LSP技术应用于所考虑的材料，它在热循环设计方面的影响范围可以有效地扩大。

图4 (a)和(b) 分别通过钻孔、中子和X射线衍射方法获得的LSP处理样品LB-TB的最大和最小残余应力。(c)和(d) 通过钻孔、中子和X射线衍射方法分别获得LSP处理和时效后样品LC-TC的最大和最小残余应力

致谢

报告的XRD残余应力测量在IMDEA材料研究所（西班牙马德里）进行，感谢其出色的技术援助。研究工作部分是在Laue-Langevin研究所ILL-4/2019-1-02-274活动和WWP的实习许可的支持下开展的。感谢Th.Pirling博士的基础科学支持，MINECO部分工作的支持（Spain; Grants MAT2012–37782, MAT2015–63974-C4–2-R and PID2019–104351GB-C21）。本文通讯作者：Warzanskyj W（UPM Laser Centre. Universidad Politécnica deMadrid. Campus Sur UPM. Edificio La Arboleda. C/ Alan Turing, 1. 28031 Madrid.Spain）。

本期小编：杨逸璠（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

闵　琳（发布）