波纹梯度激光冲击强化对承载面紧固孔周向压缩性能的梯度调控机制研究

针对传统激光冲击强化(LSP)在紧固孔强化中存在的平面梯度缺失和过强化问题，研究人员创新性提出波纹梯度激光冲击强化(G-LSP)策略。通过调控冲击次数与搭接率，在AZ31B镁合金孔周构建了从孔缘向外递减的梯度微观结构（晶粒尺寸20.25→7.25?μm）和硬度梯度（111.3→198.5?HV），使极限抗压强度提升8.1%，有效缓解了局部应力集中。该研究为航空紧固结构在极端载荷下的可靠性提升提供了新思路。

　　

在航空制造领域，镁合金AZ31B因其优异的比强度和电磁屏蔽性能被广泛应用于机身结构，但其固有的低延展性使得紧固孔周边在承受3200?kg级预紧力时极易发生应力集中破坏。传统冷扩孔和喷丸强化技术产生的残余压应力层深度有限，而常规激光冲击强化(LSP)虽能生成更深的残余应力，却因光斑重叠区域的过强化效应可能导致孔角裂纹。更关键的是，现有研究多聚焦材料厚度方向的梯度设计，忽视了紧固孔在循环载荷下平面应力分布不均的核心矛盾——这正是导致飞机蒙皮紧固结构早期失效的"阿喀琉斯之踵"。

为突破这一技术瓶颈，国内研究团队在《Materials Today Communications》发表了一项创新研究。该团队开发了波纹梯度激光冲击强化(G-LSP)新技术，通过单组激光参数实现平面方向梯度强化，使AZ31B镁合金紧固孔周边形成独特的空间梯度架构。研究采用表面形貌分析、EBSD显微结构表征、显微硬度测试结合有限元模拟等方法，系统揭示了梯度强化机制。

表面形貌
三维轮廓仪检测显示，G-LSP处理区形成了约100?μm的平面高度差，表面粗糙度Ra控制在0.8?μm以下。这种波纹状形貌为后续梯度微观结构的构建提供了几何基础。

梯度微观结构
电子背散射衍射(EBSD)分析发现，从孔缘向外呈现渐进式晶粒细化：边缘区域晶粒尺寸锐减至7.25?μm，而外围区域保持20.25?μm。这种梯度变化源于激光能量密度的空间调制，通过动态再结晶和位错增殖的协同作用实现。

力学性能梯度
显微硬度测试验证了从孔缘111.3?HV到外围198.5?HV的逆向梯度分布，与残余应力场的有限元模拟结果高度吻合。这种"外柔内刚"的特性使3200?kg载荷下的极限抗压强度提升8.1%，显著优于传统LSP处理组。

讨论与结论
该研究首次实现了紧固孔强化从"均匀处理"到"梯度设计"的范式转变。G-LSP构建的平面梯度结构通过两个机制发挥作用：几何梯度缓解了应力突变，而晶粒尺寸梯度则优化了能量耗散路径。特别值得注意的是，该方法仅通过工艺设计而非参数调整实现梯度效果，这对航空部件的大规模工业化处理具有重要经济价值。研究为解决镁合金结构件在极端工况下的可靠性问题提供了新方案，其梯度设计理念可延伸至其他应力集中结构的强化处理。作者Wei Sun团队强调，未来研究将聚焦梯度参数与多轴疲劳寿命的定量关系，以进一步优化工艺窗口。