激光辅助超声表面滚压钛合金：调控软化-强化转变以增强疲劳性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Laser-Assisted Ultrasonic Surface Rolling of Titanium Alloys: Governing the Softening-Strengthening Transition for Fatigue Enhancement

本文系统研究激光辅助超声表面滚压（LA-USRP）技术对TC4T钛合金的改性机制，揭示通过热-力协同作用调控材料软化-强化转变的临界窗口。研究发现适度激光加热可同步激活位错运动与孪生行为，实现更深层塑性变形并形成稳定压应力场，使疲劳极限较传统USRP提升约60 MPa。研究为高性能钛合金表面工程提供了热加工参数优化的重要理论依据。

　　

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Materials

本研究采用宝钛集团有限公司提供的商用轧制TC4T钛合金棒材，该材料广泛应用于航空发动机风扇叶片、压气机盘和压气机叶片制造。TC4T钛合金具有典型的层状α+β微观结构，其疲劳极限与Ti-6Al-4V合金相当。所有实验用TC4T钛合金棒材在加工前均经过多步热处理工艺处理。

Range analysis

基于725 MPa应力水平下的疲劳寿命数据，对LA-USRP激光工艺参数进行正交优化。每组疲劳测试均进行三次重复实验。表6汇总了LA-USRP参数的正交实验结果及极差分析。其中K_i（i=1,2,3）表示第i水平下的疲劳寿命总和，k_i代表第i水平下疲劳寿命的算术平均值。

Discussion

大量研究证实，通过USRP形成的压缩残余应力场（CRS）对提升金属材料疲劳性能具有关键作用。但其长期有效性主要取决于两个相互关联的机制：首先是循环载荷下残余应力的稳定性，其次是由塑性变形诱导的微观结构演化。本研究发现激光加热通过热激活位错滑移与孪生行为的协同作用，显著增强了塑性变形深度。然而当热输入超过临界阈值时，位错回复会导致材料软化，同时表面氧化引入脆性断裂起始点。这种竞争效应揭示了存在一个精确的热加工窗口，只有在此窗口内才能实现最优的疲劳性能提升。

Conclusions

本研究系统阐明了激光辅助超声表面滚压（LA-USRP）处理TC4T钛合金的软化-强化转变机制，确立了关键的热加工窗口。结果表明：在优化参数窗口内的激光加热可产生卓越的疲劳寿命提升——其疲劳极限较传统USRP提高约60 MPa。LA-USRP的独特优势在于能同步激活热辅助位错运动与孪生行为，这种协同机制是传统超声冲击处理无法实现的。最终形成的稳定压缩残余应力场与细化表面微观结构共同贡献于疲劳性能的显著改善。