通过激光冲击强化处理，电弧定向能量沉积的Al-Mg合金性能得到提升

《Journal of Materials Research and Technology》：Improved properties of wire-arc directed energy deposited Al-Mg alloy through laser shock peening

研究采用激光冲击处理（LSP）改善电弧直接能量沉积（Arc-DED）制造的5B06 Al-Mg合金力学性能。通过单脉冲和双脉冲不同能量（0.6J-4J）LSP处理，发现双脉冲（4J-DB）样品孔隙率降至0.01%，屈服强度提升89%至257MPa，同时保持14.2%延伸率。LSP通过诱导高密度位错和亚晶界形成细化晶粒，双脉冲处理扩展了强化深度至1.5mm，显著降低晶界曲率并优化织构分布。实验表明，LSP处理可有效闭合表面孔隙并抑制裂纹扩展，为大型构件表面强化提供新方法。

　　在金属制造领域，激光冲击喷丸（LSP）作为一种表面强化技术，被广泛应用于改善材料的微观结构和力学性能。本文围绕LSP对5B06铝镁合金在Arc-DED工艺后的性能提升，深入探讨了其对孔隙分布、晶粒结构和力学性能的影响机制。研究通过系统地调整LSP的脉冲能量和脉冲次数，揭示了其在材料微观结构演变中的作用，并为大规模金属增材制造的性能优化提供了理论依据和实践指导。

Arc-DED技术因其高效性和环境友好性，近年来在工业制造中受到广泛关注。该技术能够直接利用金属丝材进行逐层沉积，从而制造出大型金属部件。然而，由于5xxx系列铝镁合金在非平衡凝固过程中容易形成孔隙，导致其加工后的材料表现出较差的机械性能。因此，寻找有效的后处理方法，成为提升Arc-DED部件性能的关键。

LSP作为一种非热处理的冷塑性变形工艺，能够有效改善材料的微观结构。通过激光脉冲在材料表面产生高能冲击波，诱导材料发生塑性变形，从而减少孔隙并提升材料的强度。研究发现，单脉冲LSP对孔隙的消除作用主要集中在表面1mm范围内，而双脉冲LSP则能够将影响深度扩展至1.5mm，进一步细化晶粒结构。这种细化效果不仅体现在晶粒尺寸的减小，还表现为晶界角度的改变和位错密度的增加。这些变化为材料的强化提供了基础。

在LSP处理后，5B06合金的孔隙率显著降低，从初始的0.1%降至0.01%。这一结果表明，LSP能够有效地关闭孔隙缺陷，提高材料的致密性。同时，LSP的冲击波在材料内部引发塑性变形，形成高密度的位错和亚晶界，从而促进晶粒细化。在双脉冲处理条件下，材料的位错密度和能量储存进一步增加，使晶粒细化效果更加显著。

通过对比不同脉冲能量和脉冲次数对材料性能的影响，研究发现，当脉冲能量为4J时，材料的屈服强度显著提升，达到257 MPa，较原始材料增加了89%。同时，材料的延展性仍保持在14.2%左右，表明LSP不仅提升了材料的强度，还保持了其一定的塑性。这种强度与延展性的协同提升，使材料的综合性能得到优化。

此外，LSP对材料的晶体相分布也有显著影响。在5B06合金中，LSP促使β相（Al₃Mg₂）和Al₆(Fe,Mn)等第二相的细化，形成纳米级沉淀物。这些沉淀物作为位错障碍，通过Orowan机制阻碍位错运动，从而提高材料的强度。同时，LSP处理后，材料的晶界分布更加均匀，且形成大量的低角度晶界，进一步促进了晶粒细化。

在晶粒取向分析方面，LSP处理显著改变了材料的纹理分布。特别是Goss {011}<100>纹理，其含量在双脉冲处理下大幅降低，而Brass {011}<211>纹理则有所增加。这种纹理变化反映了材料在LSP作用下的塑性变形机制，即在高应变率下，晶粒倾向于向Brass或随机方向旋转，从而降低材料的各向异性。同时，Cube {001}<100>纹理的稳定性表明其在动态变形过程中不易发生再结晶，从而维持了材料的强度。

从力学性能的角度来看，LSP处理后的材料表现出更高的屈服强度和抗拉强度，同时延展性略有下降。这种变化在双脉冲处理下更为明显，表明增加脉冲次数可以进一步提升材料的性能。然而，LSP的作用深度有限，通常为1-1.5mm，难以对大型部件的核心区域进行有效强化。此外，LSP在大规模生产中的应用仍面临效率问题，目前主要依赖点扫描模式，限制了其在工业化应用中的推广。

总体而言，LSP作为一种高效的表面处理技术，能够显著改善Arc-DED制造的5B06铝镁合金的微观结构和力学性能。其通过诱导塑性变形、细化晶粒、关闭孔隙等机制，提升了材料的强度和延展性。然而，LSP的应用仍需进一步优化，以克服其作用深度和生产效率的局限性。未来的研究可以探索更高效的LSP参数设置，以及与其他后处理技术的结合，以实现对大型金属部件的全面强化。