喷丸强化诱导AA2017合金结构参数演变及其对残余应力与磨损性能的调控机制

针对AA2017铝合金表面脆性导致的机械性能不足问题，研究人员通过喷丸强化(SP)技术系统研究了晶粒细化、位错密度提升等结构参数变化，发现SP处理后晶粒尺寸降低75%（168→41 nm），显微硬度提升230%（71→235 HV），磨损率降低35%。该研究为高铜低塑性铝合金表面强化提供了重要理论支撑。

　　

在航空航天和汽车制造领域，AA2017铝合金因其优异的强度重量比和耐腐蚀性成为关键材料。然而，这种高铜含量的合金存在先天缺陷——表面脆性和低延展性，在循环载荷下易产生疲劳裂纹，严重影响部件寿命。传统热处理或阳极氧化等表面处理手段收效有限，而激光冲击强化等新技术成本高昂。如何经济高效地提升这类合金的表面性能，成为制约高端装备发展的瓶颈问题。

印度空间研究组织与国内顶尖科研机构合作，在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究给出了创新解决方案。研究团队采用喷丸强化(Shot Peening, SP)技术处理AA2017-T451态合金，通过X射线衍射线形分析(XRD-LPA)、扫描电镜(SEM)等手段，首次系统揭示了SP对该合金微观结构-性能的调控规律。

关键技术包括：采用伪沃伊特(Pseudo-Voigt)函数拟合XRD衍射峰，计算晶粒尺寸和微应变；使用Cosα法测定残余应力；通过显微硬度仪和摩擦磨损试验机量化机械性能；结合SEM/光学显微镜观察梯度结构特征。所有测试均以原始态(AR)样品为对照。

【材料与方法】
选用3mm厚AA2017-T451板材，采用SAE标准铸钢丸进行SP处理。通过XRD-LPA提取晶粒尺寸(D)、位错密度(ρ)等参数，其中D通过Scherrer-Wilson方程计算，ρ依据Williamson-Hall法推导。

【定性分析】
XRD图谱显示SP处理后衍射峰明显宽化，证实晶粒细化和残余压应力产生。FCC结构铝峰位移表明晶格畸变加剧。

【结构参数】
SP使晶粒尺寸从168 nm锐减至41 nm，降幅达75%；微应变从0.0182增至0.0315；位错密度从1.73×10¹⁴ m^-2飙升至6.21×10¹⁴ m^-2，揭示剧烈塑性变形。

【机械性能】
表面显微硬度提升230%（235±7 HV），磨损率降低35%至0.776 mm³/KN-m，摩擦系数下降11%。SEM显示表层形成梯度结构——细化晶粒层逐渐过渡到粗晶区。

【讨论】
相比AA2024/AA7075等合金，AA2017在SP后表现出更显著的强化效果（硬度提升230% vs 180-200%），这与其高铜含量促进位错增殖的特性相关。研究首次阐明Cu富集相与SP诱导塑变的交互作用机制，为同类合金表面工程提供新见解。

该研究的突破性在于：建立了SP参数-结构演变-性能提升的定量关系；开发了适用于低塑性合金的SP工艺优化方法；提出的PsdV拟合-XRD LPA联用策略，为材料微观表征树立了新范式。这些成果对航空航天关键部件的寿命延长具有直接工程指导价值。