用于提高激光熔覆TC4-TA15钛合金抗疲劳裂纹扩展能力的超声表面滚压工艺

《Surface and Coatings Technology》：Ultrasonic surface rolling process for improving fatigue crack propagation resistance of laser-clad TC4-TA15 titanium alloy

表面强化技术超声表面揉滚处理异质钛合金TC4-TA15，系统研究沉积顺序对微观结构和疲劳性能的影响。结果表明：USRP显著细化表面晶粒（TA15/TC4层细化率达55.49%），提升疲劳寿命约10倍（TC4/TA15）和52%（TA15/TC4），裂纹扩展区增大但扩展速率降低。纳米压痕显示硬度提升29.68%，证实沉积顺序影响界面结构，TC4/TA15界面因优化晶界和平衡应变积累展现更优疲劳性能。

　　

李鹏飞|王赛兰|吴家成|沈一鸣|董振坤|徐浩

江苏大学机械工程学院，镇江，212013，中国

摘要

本研究采用超声波表面滚压工艺（USRP）对通过激光熔融沉积制备的TC4-TA15异质钛合金进行表面强化处理，系统研究了USRP结合不同沉积顺序对材料微观结构和疲劳性能的影响。结果表明，USRP处理显著细化了表面晶粒尺寸，TA15/TC4材料的平均晶粒尺寸比TC4/TA15材料降低了55.49%。USRP使TC4/TA15和TA15/TC4试样的疲劳寿命分别提高了约10倍和52%。断裂分析显示，USRP处理增加了疲劳裂纹扩展区的面积，并通过晶间断裂和次级微裂纹减缓了裂纹扩展速率。然而，TA15/TC4试样内部的高应力积累导致在疲劳测试过程中形成了大量大的次级裂纹，从而导致瞬时断裂。此外，纳米压痕测试表明，USRP处理后材料的硬度显著提高，TA15/TC4 USR试样的硬度比未经处理的试样提高了29.68%。研究证实，沉积顺序对疲劳性能有显著影响，由于TC4/TA15界面具有优化的晶界结构和较低的应变积累，因此表现出更好的疲劳抗力。

引言

疲劳失效是工程部件中最常见的失效形式，通常发生在远低于材料屈服强度的循环应力水平下[1]。在工程实践中，结构材料的疲劳性能是决定其服役可靠性的关键指标[2]。表面强化处理是提高材料疲劳抗力的有效方法之一，其主要机制包括引入残余压应力层、细化表面晶粒结构[3]和增加表面硬度。超声波表面滚压工艺（USRP）是一种先进的表面机械强化技术，它结合了静力和动态冲击，实现了优异的表面光洁度[4]、深度残余压应力场[5]和显著的塑性变形层[6,7]，从而显著提高了材料的疲劳性能。例如，Dang等人[8]发现，经过一次USRP处理后，300M钢的高周疲劳寿命延长了21倍以上，Zhang等人[9]使用同步双面超声波表面滚压工艺（SDUSRP）将发动机叶片等薄壁部件的疲劳寿命延长了10-100倍。尽管许多研究表明USRP在提高均质材料（如Ti-6Al-4V[10,11]、钢[5]、铝[12]）的疲劳性能方面有效，但其在对添加制造（AM）生产的异质界面材料的应用和作用机制方面仍大多未被探索。

除了表面强化外，提高材料的固有损伤容忍度也成为当前材料研究和开发的关键方向。研究表明，通过特殊的结构设计（包括异质层状结构[13,14]、梯度结构和纳米晶结构[15]或激光焊接工艺[16]），可以获得具有高界面密度的金属材料。例如，Soumya S. Dash等人[17]使用DED方法制备了由TC4-TC11钛合金组成的成分梯度材料。界面处化学成分的平滑过渡提高了材料硬度并改善了机械性能。Li[18]通过扩散键合制备了非均匀的TC4/TB8钛合金层压材料，其独特的层状结构改变了裂纹扩展方向，有效降低了疲劳裂纹生长（FCG）速率。这些发现证实，合理控制内部界面特性可以显著提高材料的综合机械性能。

TC4（Ti-6Al-4V）和TA15（Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V）钛合金分别是α+β型和近α型钛合金的典型代表，具有优异的机械性能组合。这两种合金已广泛应用于飞机结构部件和航空发动机的关键部件[19]。先前的研究使用激光熔融沉积制备了具有异质界面的双层结构，即TC4-TA15异质合金，这些合金表现出更高的强度和硬度以及更优的机械性能[20]。然而，异质组合的TC4和TA15材料的疲劳性能和断裂机制尚未得到研究。关于增材制造双金属材料的沉积顺序（即其固有的异质性）如何影响其对USRP的微观结构和机械响应，进而影响其疲劳行为，在异质材料的研究中也鲜有报道。因此，我们研究了之前被忽视的“沉积顺序”这一关键变量，本研究使用USRP制备了具有不同沉积顺序的TC4-TA15钛合金疲劳试样，并进行了疲劳测试，以研究晶界对疲劳寿命的影响，分析了疲劳失效的形式和机制。此外，发现更明显的表面纳米梯度层并不总是导致更长的疲劳寿命。由于其优化的晶界结构和更平衡的应变积累，TC4/TA15界面表现出比TA15/TC4材料显著更好的疲劳性能。这为在高性能异质结构材料设计中应用USRP工艺提供了关键的界面选择标准。

章节摘录

材料

本文研究的材料是TC4和TA15钛合金，其详细的化学成分列在表1中。本实验使用具有不同沉积顺序的异质合金作为研究对象，即：在TC4基底上激光熔融沉积TA15合金粉末，在TA15基底上激光熔融沉积TC4合金粉末，以制备两种具有异质界面的合金材料。所有粉末的粒径范围为53-150 μm。

USRP对晶粒的影响

图4显示了两种不同沉积顺序材料的微观结构图像。图4(a)和(b)展示了TC4/TA15样品两侧的微观结构，TC4沉积层呈现出篮状编织结构，而TA15基底呈现出等轴结构。图4(c)和(d)展示了TA15/TC4样品，其中TA15沉积层呈现篮状编织结构，而TC4基底保持等轴结构。这种微观结构的相似性是由于

讨论

图16展示了通过USRP技术进行表面强化以及拉伸-压缩疲劳测试对I型和II型材料的微观结构和疲劳裂纹生长行为的影响。图16(a)和(b)显示，在增材制造过程中快速冷却引起的非平衡凝固过程中，外延晶粒生长受到抑制。较高的Mo含量抑制了β→α相变，促进了细小层状结构的形成

结论

本研究对通过不同沉积顺序制备的TC4-TA15异质界面材料进行了双边USRP处理。结果表明，USRP处理显著细化了TC4-TA15异质钛合金的表面晶粒尺寸，从表面到内部形成了梯度纳米结构。在TA15/TC4材料中，晶粒细化效果更为明显，实现了HAGB-LAGB比的最佳平衡，但应变积累

作者贡献声明

李鹏飞：资源、方法论。王赛兰：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据管理。吴家成：撰写——审阅与编辑、验证。沈一鸣：撰写——审阅与编辑、验证。董振坤：撰写——审阅与编辑、调查。徐浩：撰写——审阅与编辑、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52305363和12104508）和中国博士后科学基金资助项目（编号：2024M760714）的支持。