超音速微粒轰击诱导TA15钛合金层状结构梯度纳米化及其腐蚀疲劳性能强化机制

为提升航空钛合金在海洋大气环境下的可靠性，研究人员采用超音速微粒轰击(SFPB)技术对层状TA15合金进行表面强化，系统探究了冲击时间对梯度纳米结构形成、残余压应力(CRS)分布及腐蚀疲劳性能的影响。结果表明，60秒处理可形成13.9 nm纳米晶层，使650 MPa载荷下腐蚀疲劳寿命提升15.7倍，为航空关键部件延寿提供新策略。

　　

在航空工业快速发展的今天，钛合金结构件面临着日益严苛的服役环境挑战。TA15钛合金因其优异的高温力学性能和焊接特性，已成为飞机关键部件的首选材料。然而，当飞机长期暴露于海洋大气环境时，结构件表面不仅需要承受周期性疲劳载荷，还会遭受氯离子等腐蚀介质的侵蚀，这种"腐蚀+疲劳"的双重作用极易引发材料失效。据统计，航空结构件80%以上的失效源于表面萌生的腐蚀疲劳裂纹。如何通过表面工程技术提升材料抗腐蚀疲劳性能，成为保障飞行安全的核心课题。

针对这一难题，中国研究人员在《Applied Surface Science》发表了一项突破性研究。团队创新性地采用超音速微粒轰击(Supersonic Fine Particle Bombardment, SFPB)技术对层状组织TA15合金进行表面改性。这种技术利用超音速气流驱动Al₂O₃微粒（粒径40 μm）反复轰击金属表面，通过剧烈塑性变形实现晶粒纳米化。相较于激光冲击强化(LSP)和传统喷丸(SP)，SFPB具有操作简便、成本低廉且适用于复杂构件的独特优势。

研究团队通过调控SFPB处理时间（30-90秒），系统分析了表面形貌演变规律。扫描电镜显示，30秒处理时表面形成均匀球形微坑，而60秒后出现典型的梯度结构：表层为13.9 nm超细晶粒，次表层为位错缠结的变形层，心部保留原始层状组织。X射线衍射证实，这种结构伴随着高达-850 MPa的残余压应力(CRS)。值得注意的是，微硬度测试显示90秒处理时表面硬度达478.6 HV，但过长的处理时间（>60秒）会导致微裂纹萌生，反而降低强度指标。

在腐蚀疲劳性能测试中，经60秒SFPB处理的试样展现出惊人提升。在模拟海洋环境的3.5% NaCl溶液中，650 MPa交变载荷下的疲劳寿命较未处理试样延长15.7倍。研究人员通过透射电镜揭示了性能强化的三重机制：表层纳米晶阻碍裂纹萌生、梯度结构缓解应力集中、CRS场抑制裂纹扩展。这种多尺度协同效应使得裂纹扩展能垒显著提高。

该研究的结论部分明确指出，SFPB技术在航空钛合金表面强化领域具有重大应用价值。60秒处理能实现最优综合性能平衡：既形成足够厚的纳米晶层（约50 μm），又避免过度处理导致的表面损伤。研究数据为TA15合金在舰载机起落架、发动机叶片等关键部件的工程应用提供了直接实验依据。更值得关注的是，这种技术路线可推广至其他海洋环境服役材料的性能提升，为装备延寿技术开辟了新途径。

讨论部分进一步强调，未来研究应聚焦于SFPB工艺参数的智能优化，以及纳米结构在长期腐蚀环境中的稳定性评估。尽管当前结果已证实短期性能提升显著，但实际服役往往涉及更复杂的热-力-化多场耦合作用，这需要建立更完善的寿命预测模型。该工作不仅解决了航空材料领域的特定问题，其揭示的"表面纳米化-残余应力协同抗疲劳"机制，对生物医用植入体、海洋工程装备等跨领域材料设计同样具有指导意义。