通过无涂层激光喷丸（LPwC）技术提升增材制造的Ti-6Al-4V合金的抗疲劳性能和微观结构完整性

《Optics & Laser Technology》：Enhancing fatigue performance and microstructural integrity of additively manufactured Ti-6Al-4 V alloy via laser peening without coating (LPwC)

激光冲击强化（LPwC）对Ti-6Al-4V合金表面特性、微观结构及疲劳性能的影响研究。通过对比喷砂（SB）和抛光（P）处理，发现LPwC在4和8 GW/cm2下分别使疲劳强度提升36%和75%，有效消除表面拉应力并引入-850 MPa压应力，改善近表面孔隙和微观结构。

　　这篇研究聚焦于激光冲击喷丸（LSPwC）技术在激光粉末床熔融（L-PBF）制造的Ti-6Al-4V合金部件上的应用效果。研究通过对比分析不同表面处理方式，如喷砂（SB）和抛光（P），探讨了LSPwC在改善表面特性、微观结构完整性以及疲劳性能方面的潜力。Ti-6Al-4V合金因其优异的强度、耐腐蚀性和生物相容性，在航空航天、汽车和生物医学等领域得到了广泛应用。然而，由于L-PBF制造过程的特殊性，这些部件通常会存在表面和近表面区域的微观孔隙以及残余应力，这些问题在一定程度上限制了其机械性能和可靠性。

LSPwC技术是一种无需保护涂层的表面处理方法，它通过高能激光脉冲直接作用于材料表面，产生强烈的塑性变形，从而改变材料的表面和内部结构。与传统的喷砂和抛光方法相比，LSPwC能够在不破坏材料表面的情况下，有效消除拉应力并引入压应力。这种应力分布的变化对材料的疲劳性能具有显著影响。研究表明，LSPwC处理后的Ti-6Al-4V合金表面硬度提高了12–20%，同时表面附近的孔隙被显著减少，甚至在0.5 mm深度范围内实现了孔隙的闭合。这些改进不仅有助于增强材料的微观结构完整性，还对提高其疲劳寿命起到了积极作用。

然而，LSPwC处理在提升材料性能的同时，也会对表面粗糙度产生一定影响。随着激光功率密度的增加，表面粗糙度相应上升，尤其是在高功率密度处理条件下，这种变化更为明显。尽管如此，这种表面粗糙度的增加并未对材料的整体性能造成显著负面影响，反而通过促进表层和次表层的加工硬化以及致密化，提升了材料的抗疲劳能力。在疲劳测试中，LSPwC处理后的Ti-6Al-4V合金表现出36%和75%的疲劳强度提升，分别对应于4 GW/cm2和8 GW/cm2的激光功率密度。这表明，LSPwC不仅能够克服传统增材制造（AM）表面处理方式的局限性，还为提高Ti-6Al-4V合金部件的机械可靠性提供了一种高效、独立于加工设备的解决方案。

研究中还探讨了不同L-PBF系统对材料性能的影响。以国内生产的ENA 250系统为例，其与国际主流L-PBF设备在制造工艺和材料特性上存在差异。通过对比分析，研究揭示了不同系统在表面处理和疲劳性能方面的表现差异。这不仅有助于理解材料性能与制造工艺之间的关系，还为未来在不同制造平台上的应用提供了参考依据。

实验过程中，研究人员采用了一系列先进的检测手段，包括X射线衍射（XRD）分析残余应力分布，光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）用于观察微观结构变化，以及XRD峰宽化分析用于评估晶粒尺寸和晶格应变。此外，表面粗糙度和表面硬度的测量也采用了标准的测试方法，以确保数据的准确性和可靠性。通过这些手段，研究团队能够全面评估LSPwC处理对材料性能的影响。

研究结果表明，LSPwC处理不仅能够有效改善材料的表面特性，还能显著提升其疲劳性能。这种处理方式通过引入压应力和加工硬化，使得材料在承受循环载荷时表现出更强的抗疲劳能力。同时，LSPwC处理能够减少表面孔隙，提高材料的致密性，从而增强其整体机械性能。这些发现为未来在增材制造领域应用LSPwC技术提供了理论支持和实践指导，同时也为提高Ti-6Al-4V合金部件的可靠性提供了新的思路。

此外，研究还指出，尽管LSPwC处理在提高材料性能方面具有显著优势，但其应用仍需谨慎优化。由于LSPwC处理直接作用于材料表面，可能导致表面过度加热、微观裂纹的形成以及表面纹理的变化。因此，选择合适的激光参数和处理条件是确保处理效果的关键。在实验中，研究人员选择了两种不同的激光功率密度（4 GW/cm2和8 GW/cm2）进行处理，并分析了这些参数对材料性能的影响。结果显示，随着激光功率密度的增加，材料的疲劳强度提升幅度也相应增加，这表明优化激光参数可以进一步提升LSPwC的处理效果。

综上所述，LSPwC技术为解决增材制造过程中常见的表面缺陷问题提供了一种有效的手段。通过直接作用于材料表面，LSPwC能够在不依赖额外涂层的情况下，实现对残余应力的控制和表面特性的改善。这种处理方式不仅能够提高材料的疲劳强度，还能够增强其微观结构的完整性，从而提升整体的机械性能和可靠性。随着L-PBF技术的不断发展，LSPwC作为一种后处理方法，将在未来得到更广泛的应用。