飞秒激光冲击强化提升激光粉末床熔融GH4169高温合金表面完整性与疲劳性能的机制研究

推荐：针对激光粉末床熔融(LPBFed) GH4169高温合金表面缺陷、残余拉应力及粗大柱状晶导致的疲劳性能瓶颈，研究人员采用飞秒激光冲击强化(Fs-LSP)后处理技术，系统研究脉冲能量(100-300 μJ)对表面完整性和高周疲劳行为的影响。发现200 μJ处理可同步实现表面形貌优化(-395 MPa压应力层)、晶粒细化(34.56 μm)和Laves相抑制，使疲劳强度提升26.7%至516 MPa，为航空发动机关键部件抗疲劳制造提供新方案。

　　

在航空发动机领域，涡轮盘和叶片等关键部件长期承受650-700°C高温交变载荷，其材料疲劳性能直接决定整机寿命。GH4169（商用名Inconel 718）镍基高温合金因其优异的高温强度成为首选材料，但传统铸造/锻造工艺难以满足复杂构件的精密制造需求。激光粉末床熔融(LPBF)技术虽能实现复杂结构近净成形，却因10³ K/mm的超高热梯度和10⁶-10⁸ K/s的急速冷却速率，导致三大致命缺陷：表面粗糙度达10-15 μm并伴随5-20 μm深的微裂纹、200 μm深度范围内600-800 MPa的残余拉应力、以及具有强<001>织构的柱状晶组织（长径比>5）。这些缺陷协同作用，使疲劳裂纹优先沿枝晶间弱结合区扩展，严重制约部件服役安全。

针对这一难题，国内某研究机构团队在《Surface and Coatings Technology》发表研究，创新性地采用飞秒激光冲击强化(Fs-LSP)技术对LPBFed GH4169进行后处理。该技术通过激光诱导等离子体冲击波产生>10⁷ s^-1的超高应变率，在无热影响前提下实现表面纳米化、压应力引入和微观组织调控的协同强化。研究人员系统考察了100-300 μJ脉冲能量的处理效果，发现200 μJ为最优参数：表面粗糙度降至2 μm以下，建立70 μm深的-395 MPa压应力层，晶粒尺寸从66.1 μm细化至34.56 μm，并有效抑制晶界Laves相偏聚。这些改性使疲劳强度从378 MPa显著提升至516 MPa，增幅达26.7%。

关键技术方法包括：采用连续波长光纤激光器(400 W, 1060 nm)制备LPBFed GH4169试样；通过白光干涉仪和X射线衍射分析表面形貌与残余应力；结合EBSD和TEM表征微观组织演变；开展高周疲劳试验验证性能提升。

主要研究结果：

1. 表面形貌与XRD分析：Fs-LSP完全消除不规则烧蚀坑和近表面微孔，200 μJ处理使表面Sa从14.32 μm降至1.89 μm，且不引入新氧化层。
2. 残余应力分布：200 μJ处理在表层产生-395 MPa压应力，有效影响深度达70 μm，显著抑制表面裂纹萌生。
3. 微观组织演变：冲击波诱导动态再结晶形成纳米晶层，柱状晶转变为等轴晶，位错密度提升2个数量级。
4. 疲劳性能提升：裂纹萌生位点由表面转移至次表面，随机晶粒取向使裂纹扩展路径迂曲，疲劳寿命提升3.7倍。

该研究建立了"工艺-组织-性能"的跨尺度关联框架，阐明Fs-LSP通过"表面形貌-残余应力-微观组织"三重协同机制改善疲劳性能：表面缺陷消除降低应力集中系数，压应力场抑制裂纹张开，纳米晶和高位错密度阻碍位错运动。相比传统喷丸强化，Fs-LSP具有无表面粗糙化、无需吸收层/约束层等优势，特别适合复杂曲面构件处理。研究成果为航空发动机关键部件的抗疲劳增材制造提供了理论依据和工艺指导，对推动我国高端装备自主可控制造具有重要意义。