通过结合激光冲击强化和热处理来优化激光粉末床熔融Ti-6Al-4V合金的摩擦学性能

《Surface and Coatings Technology》：Optimizing tribological properties of laser powder bed fusion Ti-6Al-4V alloy by combining laser shock peening and heat treatment

Ti-6Al-4V合金通过激光冲击强化（LSP）与低温热处理（HT）复合工艺显著提升耐磨性，磨损率降低17.55%，硬度提高15.38%，表面形成梯度纳米结构。

　　Ti-6Al-4V合金因其优异的强度与重量比、良好的耐腐蚀性，广泛应用于航空航天和汽车工业。然而，使用增材制造（AM）技术生产的Ti-6Al-4V合金常常面临磨损性能不佳的问题，这限制了其在实际应用中的表现。为了改善这一状况，激光冲击喷丸（LSP）作为一种表面处理技术，被广泛研究用于提升Ti-6Al-4V合金的表面性能。LSP能够通过引入压缩残余应力和纳米晶粒结构，显著增强材料的强度。然而，其对塑性性能的改善效果仍然有限。因此，研究者提出了一种结合LSP与低温热处理（HT）的策略，以期实现更强的强度-延展性平衡，从而提升Ti-6Al-4V合金的摩擦学性能。

本研究通过实验分析了采用激光粉末床熔融（LPBF）技术制造的Ti-6Al-4V合金在LSP与HT处理后的微观结构、硬度以及摩擦学行为。实验结果显示，经过LSP+HT处理的LPBF制造样品的磨损率降低了17.55%，从0.000638 mm3/(N·m)降至0.000526 mm3/(N·m)，表明LSP+HT处理显著提升了材料的摩擦学性能。与原始样品相比，LSP+HT处理后的样品硬度提高了15.38%，从350.98增加到404.9。此外，高密度位错（GND）密度增加了77.41%，从4.56×101?/m2上升至8.09×101?/m2。这些数据表明，LSP+HT不仅提升了材料的硬度，还增强了其内部的位错密度，从而提高了整体的强度与延展性。

在摩擦测试后，对磨损表面的微观结构进行分析，发现无论是原始样品还是LSP+HT处理后的样品，其表面层都存在纳米晶粒。而LSP+HT处理后的样品表面层在摩擦作用下形成了梯度结构，覆盖着由纳米晶层、变形晶层和粗晶层组成的摩擦层。这种梯度结构能够有效改善原始Ti-6Al-4V合金的耐磨性能，减少表面磨损和材料损失。因此，LSP+HT处理能够通过形成稳定的梯度结构，提升材料的表面性能，使其在实际应用中更具优势。

研究者进一步探讨了LSP与HT处理对LPBF制造Ti-6Al-4V合金摩擦学性能的影响机制。通过比较不同处理条件下的微观结构变化，发现LSP处理能够引入大量的位错，而HT处理则有助于这些位错的重新排列和分布，从而减少应力集中，提高材料的延展性。此外，HT处理还能促进元素在材料内部的扩散，改善材料的均匀性，进一步增强其耐磨性能。这些处理方式的结合不仅提升了材料的硬度，还改善了其表面的摩擦学行为，使得Ti-6Al-4V合金在复杂工况下表现更为优异。

研究还分析了原始样品在摩擦测试后的表面变化。原始样品由于LPBF过程中的快速冷却，形成了细小的针状α'马氏体结构，这种结构在摩擦过程中容易导致磨损和材料损失。通过LSP处理，可以在表面引入纳米晶粒和高密度位错，从而改善其表面性能。然而，这些位错在高温下可能会发生再分布，因此需要通过HT处理来稳定这些结构，使其在摩擦过程中保持较高的强度与延展性。HT处理能够降低位错密度，同时促进晶界松弛，从而减少表面磨损，提高材料的使用寿命。

研究团队在实验中采用了一种系统的材料和方法。实验样品通过EOS M280 LPBF系统制造，使用气体雾化Ti-6Al-4V粉末作为原材料。实验过程中采用短条扫描策略，层厚为30 μm，层间扫描方向旋转67°，以确保材料的均匀性和结构稳定性。实验参数如表2所示，所有样品均在纯钛基板上制造，尺寸为150×150×15 mm3。制造过程中采用氩气保护，以防止氧化和污染。通过这些工艺参数的优化，研究团队能够有效控制材料的微观结构，从而提升其摩擦学性能。

在相组成分析方面，XRD图谱显示，原始样品、LSP处理样品以及LSP+HT处理样品均呈现出单一的α'马氏体相，没有β相的出现。这表明LSP和HT处理并未引起新的相变，而是通过改变晶粒尺寸和位错密度，改善了材料的表面性能。LSP处理使得晶粒尺寸减小，而HT处理则有助于晶粒的再分布和排列，从而减少表面的不均匀性，提高材料的整体性能。这种相组成的变化是提升材料摩擦学性能的重要因素之一。

研究还探讨了LSP与HT处理对LPBF制造Ti-6Al-4V合金摩擦学性能的影响机制。通过EBSD和TEM分析，研究团队发现LSP+HT处理后的样品表面层形成了梯度结构，这种结构能够有效减少摩擦过程中的材料损失。在摩擦测试过程中，原始样品由于其细小的α'马氏体结构，容易发生磨损和表面裂纹的扩展，而LSP+HT处理后的样品则由于纳米晶粒和高密度位错的引入，表现出更高的强度和延展性。这种结构的优化使得材料在摩擦过程中能够更好地抵抗磨损，延长其使用寿命。

此外，研究还分析了不同处理条件下材料的硬度变化。实验结果显示，LSP+HT处理后的样品硬度显著提高，这表明处理方式能够有效改善材料的表面性能。同时，GND密度的增加也表明材料内部的位错密度得到了提升，从而增强了其强度。这些变化不仅影响了材料的硬度，还对其摩擦学性能产生了积极影响。因此，LSP与HT处理的结合不仅提升了材料的表面性能，还改善了其整体的机械性能。

研究团队进一步探讨了LSP与HT处理对LPBF制造Ti-6Al-4V合金摩擦学性能的协同效应。通过实验分析，发现LSP处理能够引入大量的位错，而HT处理则有助于这些位错的重新排列和分布，从而减少应力集中，提高材料的延展性。这种协同效应使得材料在摩擦过程中能够更好地抵抗磨损，延长其使用寿命。同时，HT处理还能促进元素在材料内部的扩散，改善材料的均匀性，进一步增强其耐磨性能。

综上所述，LSP与HT处理的结合能够有效改善LPBF制造Ti-6Al-4V合金的摩擦学性能。通过引入纳米晶粒和高密度位错，LSP处理提升了材料的硬度和强度，而HT处理则有助于这些结构的稳定，提高材料的延展性。这种处理方式的结合不仅提升了材料的表面性能，还改善了其整体的机械性能，使其在复杂工况下表现更为优异。因此，LSP+HT处理是一种有效的策略，能够提升Ti-6Al-4V合金的摩擦学性能，延长其使用寿命。