一种混合激光表面改性技术：通过激光冲击锻造调控钛合金的微观结构与性能

《Materials Characterization》：A hybrid laser surface modification technique: Microstructural and property regulation mechanisms of titanium alloy via laser shock forging

激光冲击锻造与激光熔覆复合处理TA15钛合金涂层，显著优化显微结构（晶粒细化32%）、形成压缩残余应力层及高密度位错，硬度提升33.5%。实验表明该技术通过晶界强化与位错强化协同作用，使涂层耐磨性（以磨粒磨损和氧化磨损为主）和耐腐蚀性（TiO?钝化膜增强）同步提升，为复杂几何构件表面改性提供新路径。

　　本研究中，研究人员提出了一种混合表面改性技术，即激光冲击成形（Laser Shock Forging, LSF），通过将脉冲激光激发与激光熔覆（Laser Cladding, LC）相结合，利用TA15钛合金作为基材和粉末材料。该技术在钛合金表面处理中展现出了独特的应用潜力，尤其是在改善涂层性能方面。通过对比LC处理和LSF处理后的涂层在微观结构、残余应力状态、摩擦学性能以及电化学腐蚀行为上的差异，研究揭示了LSF在提升材料综合性能方面的有效性。

钛合金因其轻质、高强度、优异的耐腐蚀性和良好的热稳定性，近年来在多个领域得到了广泛的应用，如生物医学、航空航天、军事、化学工程、汽车工业以及环境污染控制。然而，尽管钛合金的使用和生产不断增长，其加工过程仍然面临诸多挑战，包括较差的可加工性、较低的材料利用率以及较高的制造成本。例如，在现代飞机中使用的钛合金结构部件通常具有大尺度轮廓和小截面厚度，传统制造技术如机械加工和铸造在处理这类复杂结构时往往效率低下，涉及繁琐的工艺流程、低材料利用率以及大量资源浪费，最终难以满足实际应用需求。

在实际工程中，磨损和腐蚀是导致组件失效的主要原因。因此，再制造技术逐渐成为一种关键方法，用于回收和重新利用高价值组件，使其恢复至接近原始功能的状态，从而实现节能减排的目标。随着激光表面改性技术的快速发展，绿色再制造工艺如激光熔覆受到了广泛关注。作为一种高效的表面改性方法，激光熔覆具有热影响区窄、精度高、微观结构致密以及稀释率低等优势，被认为是再制造领域最具前景的技术之一。然而，传统的单次激光熔覆涂层往往存在粗大的微观结构和内部缺陷，如气孔和裂纹，其残余应力状态可能因加工条件的不同而呈现拉应力或压应力，这在一定程度上会加剧疲劳损伤。

研究指出，表面拉应力（Tensile Residual Stress, TRS）在组件表面的形成会加速裂纹的产生和扩展，从而降低疲劳寿命。此外，微CT技术的分析表明，气孔是导致疲劳断裂的关键因素之一。以往的研究表明，表面处理如激光诱导改性能够显著增强材料的磨损、摩擦和腐蚀性能。通过优化激光熔覆的工艺参数，可以进一步提升涂层的整体质量和机械性能。例如，调整粉末供给速率和激光功率可以有效减少涂层的气孔率并改善其机械性能。然而，目前的工艺参数调节主要集中在气孔率的降低上，对于从根本上解决涂层中的TRS和粗大微观结构等问题仍然不够充分，这在一定程度上限制了材料性能的进一步提升。

因此，开发高效的后处理技术以优化激光熔覆涂层的微观结构、缓解TRS并提升整体性能，成为推动该技术工程应用的关键路径。后处理技术在当前的激光表面改性过程中发挥着重要作用，能够有效缓解激光熔覆过程中产生的问题，如气孔、粗大晶粒和TRS，从而提升材料的整体机械性能和服务稳定性。例如，引入激光重熔可以显著细化涂层的晶粒尺寸，进而提升硬度和耐磨性。在液压缸的激光熔覆修复过程中，研究还发现，硬车削和抛光不仅显著改善了涂层的表面机械性能，还有效地将原有的TRS转变为有益的压应力（Compressive Residual Stress, CRS），同时提升了腐蚀性能。此外，对FeCrNiBSi合金涂层进行喷丸处理，发现该技术能够有效细化粗大晶粒并消除表面TRS，从而改善整体机械性能。在另一项研究中，对通过选择性激光熔融（Selective Laser Melting, SLM）制造的Ti-6Al-4V钛合金进行超声喷丸处理，结果表明该处理不仅降低了表面粗糙度，还引入了高水平的CRS，显著提升了合金的耐腐蚀性能。

综上所述，上述研究均涉及将激光表面改性与多种后处理技术相结合的混合工艺路线。这些混合方法通常依赖于晶粒细化和CRS的引入，以实现显著的机械性能提升。然而，如滚压、机械喷丸、超声冲击处理和激光冲击喷丸等技术，通常应用于已经固化的涂层，且在处理过程中往往面临复杂的工艺流程和较长的处理周期。此外，当应用于具有复杂几何形状的激光表面改性组件时，这些技术的适应性受到一定限制，从而阻碍了其在工业领域的广泛应用。值得注意的是，超声辅助激光表面改性技术在一定程度上克服了传统方法的局限性。该技术通过将高能超声引入熔池，能够有效控制熔池流动行为和微观结构演化。然而，为了确保足够的能量耦合效率，超声换能器通常需要直接连接到组件的基材上，以实现高效的能量传递。在激光表面改性过程中，当熔池沿着三维路径动态移动时，保持能量传输的稳定性和连续性成为一项挑战，这在一定程度上阻碍了该技术的工程应用。

为了解决上述问题，本研究采用了一种混合激光表面改性技术——激光冲击成形（LSF）。在激光表面改性过程中，LSF将瞬时脉冲激光激发引入熔池的固液共存区域，同时对涂层表面施加微锻压作用，从而在涂层中诱导强烈的塑性变形。这种双作用机制能够深入调控熔覆后的微观结构，并在涂层中形成广泛分布的CRS场，而无需使用吸收层或约束层。此外，作为一种非接触式和原位强化方法，LSF能够直接作用于熔池，表现出良好的工艺适应性。它适用于各种尺寸和复杂几何形状的组件的激光表面改性，为高性能量产组件的工程应用提供了一条有前景的新路径。近期的研究表明，类似的处理方法如激光冲击喷丸（Laser Shock Peening, LSP）在提升材料性能方面具有显著效果。然而，目前针对钛合金领域的LSF技术研究仍较为有限，其内在机制需要进一步阐明和系统验证。

TA15钛合金是一种近α型合金，具有较高的铝当量，结合了优异的热稳定性和可焊性。它表现出良好的服务稳定性，并广泛用于在550°C以下工作的航空航天承重结构部件。为了解决激光熔覆TA15合金时出现的粗大微观结构和TRS问题，本研究首次将LSF技术应用于TA15合金的激光表面改性过程。通过对比激光冲击成形涂层（LSFed）和传统激光熔覆涂层（LCed）在表面形貌、微观结构、硬度分布、残余应力状态和晶体学特征上的差异，研究系统地揭示了LSF技术如何调控微观结构、调节电化学腐蚀行为并提升摩擦和磨损性能。

在实验中，研究人员选择了球形TA15钛合金粉末作为激光表面改性实验的原料。粉末的化学成分和微观结构特征分别如表1和图1(a)所示。为了进一步评估粉末的粒径分布，使用ImageJ软件进行了图像分析和统计处理，结果如图1(b)所示。统计分析表明，粉末的粒径分布较为均匀，且粒径范围适中，有利于后续的激光熔覆过程。

在涂层的制备过程中，研究人员采用了一种先进的激光表面改性方法，通过精确控制激光参数和粉末供给速率，实现了高质量的涂层形成。同时，引入LSF技术，通过瞬时脉冲激光激发和微锻压作用，显著提升了涂层的性能。这种处理方式不仅减少了涂层的气孔率，还改善了其微观结构的均匀性，使得涂层在表面形貌和微观结构上均表现出良好的质量。

为了更深入地了解LSF对涂层表面形貌的影响，研究人员对LCed和LSFed涂层进行了三维表面形貌分析。图3(a)和图3(b)分别展示了LCed和LSFed涂层的宏观形貌。在LCed涂层中，可以观察到多个微气孔和细小的裂纹，而LSFed涂层则呈现出均匀且致密的结构，没有明显的气孔或微裂纹。这表明，LSF处理有效地提升了涂层的致密化程度。通过进一步的分析，研究人员发现，LSF处理不仅改善了涂层的表面质量，还显著增强了其机械性能和耐腐蚀能力。

此外，研究人员对LSFed涂层进行了详细的表面粗糙度分析。结果显示，LSF处理能够有效降低涂层的表面粗糙度，其中Sa值（算术平均粗糙度）显著优于LCed涂层。这表明，LSF处理在改善涂层表面质量方面具有显著优势。通过对比两种处理方式下的表面粗糙度数据，研究人员进一步验证了LSF在提升涂层表面性能方面的有效性。

在涂层的硬度分布方面，研究人员发现，LSFed涂层的硬度显著高于LCed涂层。这种硬度的提升主要归因于LSF处理过程中引入的高密度位错和工作硬化层的形成。通过进一步的微观结构分析，研究人员发现，LSF处理不仅细化了涂层的晶粒结构，还改变了其晶体学特征，使得涂层的硬度分布更加均匀。这种变化为后续的摩擦学和电化学性能测试提供了良好的基础。

在摩擦学性能方面，研究人员对LSFed和LCed涂层进行了干滑动磨损测试。结果显示，LSFed涂层表现出优异的耐磨性，其磨损机制主要为磨粒磨损和氧化磨损。这种耐磨性的提升主要得益于LSF处理过程中形成的致密结构和高密度位错，这些因素共同作用，提升了涂层的机械性能和抗磨损能力。通过进一步的分析，研究人员发现，LSF处理不仅改善了涂层的表面形貌，还显著增强了其摩擦学性能，为实际工程应用提供了重要的支持。

在电化学腐蚀行为方面，研究人员对LSFed和LCed涂层进行了电化学腐蚀测试。结果显示，LSFed涂层表现出显著的耐腐蚀能力，其腐蚀速率明显低于LCed涂层。这种耐腐蚀能力的提升主要归因于LSF处理过程中形成的致密且稳定的TiO?富集钝化膜。通过进一步的分析，研究人员发现，这种钝化膜不仅提高了涂层的耐腐蚀性，还增强了其表面稳定性，为实际工程应用提供了重要的保障。

通过上述研究，研究人员系统地揭示了LSF技术在调控微观结构、调节电化学腐蚀行为以及提升摩擦和磨损性能方面的机制。这些机制的深入理解为LSF技术在钛合金表面处理中的应用提供了理论支持。此外，研究还表明，LSF技术在提升涂层表面质量、机械性能和耐腐蚀能力方面具有显著优势，为高性能量产组件的工程应用提供了一条新的路径。

在实际工程中，LSF技术的应用不仅限于实验室研究，还具有广阔的应用前景。例如，在航空航天领域，LSF处理可以显著提升钛合金结构部件的性能，使其在高温和高应力环境下保持良好的服务稳定性。此外，在汽车工业和环境工程中，LSF处理可以有效改善材料的耐磨性和耐腐蚀能力，从而延长其使用寿命并减少维护成本。这些应用表明，LSF技术在提升材料性能方面具有重要的工程价值。

通过对比研究，研究人员发现，LSF处理在多个方面均优于传统的激光熔覆技术。首先，LSF处理能够有效降低涂层的表面粗糙度，从而提升其表面质量。其次，LSF处理能够显著细化涂层的微观结构，使其晶粒尺寸减少约32%。这种细化不仅提升了涂层的硬度，还改善了其机械性能。此外，LSF处理能够引入高密度位错和工作硬化层，从而显著提升涂层的硬度分布。这些因素共同作用，使得LSF处理后的涂层在硬度和耐磨性方面均表现出优异的性能。

在残余应力状态方面，研究人员发现，LSF处理能够有效缓解涂层中的TRS，并引入有益的CRS。这种应力状态的改变不仅提升了涂层的机械性能，还增强了其抗疲劳能力。通过进一步的分析，研究人员发现，CRS的引入能够显著改善涂层的表面稳定性，使其在长期使用过程中保持良好的性能。此外，CRS的形成还能够提升涂层的耐腐蚀能力，使其在恶劣环境下表现出更强的抗腐蚀性。

在电化学腐蚀行为方面，研究人员发现，LSF处理能够显著提升涂层的耐腐蚀能力。这种能力的提升主要归因于LSF处理过程中形成的致密且稳定的TiO?富集钝化膜。通过进一步的分析，研究人员发现，这种钝化膜不仅提高了涂层的耐腐蚀性，还增强了其表面稳定性，为实际工程应用提供了重要的支持。此外，钝化膜的形成还能够提升涂层的抗氧化能力，使其在高温环境下保持良好的性能。

通过上述研究，研究人员系统地揭示了LSF技术在提升钛合金表面性能方面的机制。这些机制的深入理解为LSF技术在钛合金表面处理中的应用提供了理论支持。此外，研究还表明，LSF技术在提升涂层表面质量、机械性能和耐腐蚀能力方面具有显著优势，为高性能量产组件的工程应用提供了一条新的路径。

综上所述，本研究通过引入LSF技术，有效解决了传统激光熔覆技术在钛合金表面处理中的局限性。LSF技术不仅提升了涂层的表面质量，还显著改善了其机械性能和耐腐蚀能力。这些改进为钛合金在实际工程中的应用提供了重要的支持。此外，研究还表明，LSF技术在提升材料综合性能方面具有重要的工程价值，为高性能量产组件的工程应用提供了一条新的路径。