激光冲击强化(LSP)改善7075铝合金激光焊接接头低周疲劳性能的微观机制与多尺度研究

针对航空用7075铝合金激光焊接接头疲劳性能差的问题，研究人员采用激光冲击强化(LSP)技术，通过低周疲劳(LCF)测试结合透射电镜(TEM)分析，揭示了LSP通过晶粒细化、位错增殖和残余压应力协同作用提升疲劳寿命的机制，为航空关键部件延寿提供了新思路。

　　

在航空工业中，7075铝合金因其轻质高强、耐腐蚀等特性被广泛应用于关键承力结构。然而，激光焊接技术虽然高效，却会导致焊接接头出现疲劳性能显著下降的"阿喀琉斯之踵"——焊接区晶粒粗化、残余拉应力集中以及微观缺陷等问题，严重制约其在飞机起落架、高速列车底盘等承受大应变循环载荷部件中的应用。传统表面强化技术如喷丸处理虽能部分改善性能，但难以实现纳米级微观结构调控。

为解决这一难题，安徽建筑大学智能建筑机械重点实验室的研究团队创新性地采用激光冲击强化(LSP)技术对激光焊接接头进行处理，通过系统的低周疲劳测试和透射电镜表征，首次从多尺度揭示了LSP延长疲劳寿命的作用机制。相关成果发表在《Materials Today Communications》上，为航空铝合金焊接结构的可靠性提升提供了重要理论支撑。

研究采用三种处理方案对比：未处理组(N-LSP)、低能LSP组(L-LSP)和高能LSP组(H-LSP)，在0.25%-0.75%应变范围内进行低周疲劳测试。关键技术包括：聚焦离子束(FIB)制备TEM样品、透射电镜纳米尺度表征、循环应力-应变滞回曲线分析以及Massing模型拟合。特别关注焊接区表面纳米晶形成、位错结构演变与疲劳性能的关联性。

【应力-应变滞回曲线稳态分析】
通过半寿命周期滞回曲线发现：L-LSP组在所有应变幅下表现最稳定；H-LSP组在中高应变幅(0.40%-0.75%)展现最强循环硬化特性，适合大变形工况。当应变幅≥0.40%时，LSP处理组的塑性应变能密度显著高于未处理组，其中H-LSP在0.75%应变下塑性应变能提高达47.8%。

【循环应力响应特性】
LSP处理改变了材料的循环软化/硬化行为：未处理组呈现持续软化特征；而L-LSP组在0.25%-0.50%应变范围呈现稳定响应，H-LSP组则在所有应变幅下均表现为循环硬化。这种差异源于LSP引入的高密度位错结构对循环变形的抑制作用。

【Massing行为与应变分解】
通过Massing模型拟合发现，LSP处理显著提升了弹性应变幅占比，其中H-LSP组在0.75%应变下弹性应变占比达61.3%，比未处理组提高22.5%。弹性应变与疲劳寿命的Manson-Coffin曲线显示，LSP处理使曲线向高寿命方向移动，证实其有效延缓疲劳裂纹萌生。

【TEM微观机制】
透射电镜观察到LSP处理区三大特征：1)表层形成约50μm的纳米晶层，晶粒尺寸<100nm；2)高密度位错网络(密度达10¹⁵ m^-2)；3)多重位错类型共存，包括位错缠结、位错墙和位错胞。这些结构通过阻碍裂纹扩展、均匀化应力分布实现疲劳寿命提升。

研究表明，LSP通过三重协同效应延长疲劳寿命：1)纳米晶表层抑制裂纹萌生；2)残余压应力场(-210MPa)抵消焊接拉应力；3)梯度位错结构延缓损伤累积。该研究不仅为航空铝合金焊接结构延寿提供了新方法，其揭示的"表层纳米化-位错工程-应力调控"多尺度强化机制，对发展新型表面改性技术具有重要指导意义。特别值得注意的是，针对不同服役条件可优化LSP参数：L-LSP适合小应变高周次工况，而H-LSP更适用于大应变循环载荷场景，这一发现为工程应用提供了精准选型依据。