激光冲击强化提升电子束粉末床熔融镍基高温合金表面耐磨性的机理研究

针对电子束粉末床熔融(EBPBF)制备的IN738镍基高温合金表面强化需求，研究团队采用激光冲击强化(LSP)技术，通过诱导高密度位错结构和残余压应力，使材料在600?°C下的平均摩擦系数降低23.6%、磨损率下降73.6%，揭示了LSP通过形成硬化层和氧化膜协同提升耐磨性的机制，为航空航天部件表面强化提供了新思路。

　　

在航空发动机和燃气轮机领域，γ′-Ni₃(Al, Ti)强化的镍基高温合金是制造叶片的核心材料。然而，传统铸造工艺难以满足复杂几何叶片的制备需求，而机械加工又面临合金自身加工硬化带来的挑战。电子束粉末床熔融(EBPBF)技术虽能直接成型难焊接的超合金部件，但其产物存在孔隙和残余拉应力等缺陷，严重影响耐磨性能。更棘手的是，叶片与涡轮盘间的接触磨损问题在高温工况下尤为突出，常规表面强化技术如喷丸处理易引发表面纳米化，在高温下不稳定且可能破坏单晶合金的外延生长。

针对这一系列问题，长安大学的研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表研究，创新性地将激光冲击强化(LSP)应用于EBPBF制备的IN738合金。这项技术通过非接触式冲击波产生塑性变形，既能避免机械强化方法的局限性，又能形成稳定的高温强化层。研究团队通过调控激光能量(3J和5J)和冲击次数，系统分析了LSP对合金微观结构、力学性能和600?°C干滑动磨损行为的影响。

关键技术方法包括：采用EBPBF设备(Sailong-S200)制备IN738合金试样；使用不同参数(3J/5J激光能量，1-3次冲击)进行LSP处理；通过白光干涉仪、X射线衍射(XRD)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)表征表面形貌和微观结构；采用球-盘摩擦试验机评估600?°C下的摩擦磨损性能；结合有限元分析模拟残余应力分布。

研究结果揭示：

1. 表面形貌：LSP处理使表面形成微小凹坑，5J单次冲击样品(LSP-5J-1)的高度差达35.2?μm，但粗糙度(Sa=0.163?μm)仍满足工程需求。
2. 微观结构：LSP产生约1?mm厚的硬化层，内部形成高密度位错对、层错和Lomer-Cottrell锁，但未改变原始柱状晶结构和<001>织构。
3. 力学性能：LSP-5J-1样品表现最佳，表面硬度提升至403?HV，同时产生-450?MPa的残余压应力。
4. 摩擦学行为：LSP-5J-1样品的平均摩擦系数和磨损率分别降低23.6%和73.6%，磨损机制从粘着磨损转变为磨粒磨损与氧化磨损的混合模式。
5. 强化机制：硬化层与残余压应力的协同作用抑制裂纹扩展；位错结构加速氧扩散形成保护性氧化层，实现自润滑效应。

结论与意义：
该研究首次阐明了LSP对EBPBF镍基高温合金高温耐磨性的改善机制，证实LSP在不改变基体织构的前提下，通过位错强化和残余应力场显著提升材料性能。特别值得注意的是，5J单次冲击方案在保证处理效率的同时获得最佳强化效果，这对工业化应用具有重要指导价值。研究成果不仅为航空航天高温运动部件的表面强化提供了新方案，更建立了增材制造与表面改性技术协同优化的理论框架，对推动高性能合金在极端环境下的应用具有里程碑意义。