激光冲击强化对选区激光熔化17-4PH不锈钢高温磨损行为的优化机制研究

为解决增材制造17-4PH不锈钢在高温工况下的表面耐久性问题，研究人员通过激光冲击强化（LSP）与热处理（HT）协同调控，系统分析了四种材料状态（AP/AP+HT/AP+LSP/AP+HT+LSP）在25-350°C下的摩擦学性能。研究发现LSP通过引入-800MPa压缩残余应力（CRS）和晶粒细化（3.8μm），使AP+LSP样品在350°C下磨损率较AP+HT降低17%，揭示了LSP在抑制氧化剥落磨损和提升高温服役性能方面的独特优势。

　　

在航空航天和能源装备领域，高温环境下的材料磨损一直是制约部件寿命的关键瓶颈。传统17-4PH沉淀硬化不锈钢虽然具有优异的力学性能，但增材制造（AM）过程中产生的气孔、未熔合等缺陷，以及热处理后出现的脆性氧化倾向，严重影响了其高温服役性能。更棘手的是，常规表面强化技术如喷丸处理会显著增加表面粗糙度，而热处理虽能提高硬度却可能导致氧化剥落加剧。这些矛盾使得开发兼具高硬度和韧性的表面改性技术成为行业迫切需求。

针对这一挑战，国内研究机构的研究人员创新性地将激光冲击强化（Laser Shock Peening, LSP）技术应用于选区激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）成型的17-4PH不锈钢，系统研究了LSP与热处理（Heat Treatment, HT）的协同作用机制。通过优化工艺参数，成功实现了材料在25-350°C全温度区间磨损性能的显著提升，相关成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

研究团队采用多尺度表征与响应面法（RSM）相结合的技术路线：首先通过SLM制备标准试样，设置四组对比方案（原始态AP、热处理AP+HT、激光冲击AP+LSP、复合处理AP+HT+LSP）；利用电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射（XRD）分析微观结构演变；采用显微硬度仪和残余应力测试仪量化力学性能变化；基于ASTM G99-05标准开展针-盘高温摩擦试验，并通过扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）解析磨损机制。

3.1 微观结构表征

EBSD分析显示LSP处理使原始晶粒（7.14μm）细化至3.8μm，并在表层形成65μm的严重变形层（SDL）。XRD证实LSP将残余奥氏体（RA）含量从6.3%降至4.4%，同时产生-879MPa的压缩残余应力，有效深度达700μm。值得注意的是，热处理虽能形成NbC强化相，但会提高RA含量导致脆性增加。

3.2 磨损参数优化

RSM模型表明载荷和滑动距离对磨损率影响最显著（p<0.0001），而载荷与滑动速度主导摩擦系数（CoF）变化。验证实验显示预测误差<10%，确立40N载荷、1.95m/s速度、2084m距离为最优测试条件。

3.4 高温磨损行为

在350°C下，AP+LSP表现出最低磨损率（0.033mm³/m），较AP+HT降低17%。SEM分析揭示热处理样品因氧化层剥落产生三体磨损，而LSP处理通过CRS抑制裂纹扩展，磨损表面呈现均匀塑性变形特征。特别发现AP+HT+LSP在高温初期出现氧化层破裂，说明热处理与LSP存在竞争机制。

这项研究突破性地证明：单纯热处理会因氧化脆性加剧磨损，而LSP通过晶粒细化、位错强化和残余应力三重机制，可使材料在350°C高温下仍保持优异耐磨性。该成果为航空航天发动机高温部件提供了新型表面强化方案，LSP技术在不显著增加粗糙度（Ra<0.6μm）的前提下实现深度强化，其"冷加工"特性避免了热影响区问题，为增材制造零件的后处理开辟了新路径。研究还首次揭示了HT与LSP的协同-竞争关系，为后续开发梯度强化工艺奠定了理论基础。