《Optics & Laser Technology》：Atomistic-scale insight into deformation behavior and microstructural response of NiCrFeCoCu superalloy processed by laser shock peening
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激光冲击强化镍基合金的分子动力学模拟研究。摘要：通过分子动力学模拟分析激光冲击波作用下NiCrFeCoCu超合金的塑性变形、波分离现象及微观结构演化机制，发现高冲击速度导致更显著的塑性变形、位错相互作用增强及堆垛层错向六方密堆积结构转变，揭示了晶粒细化与冲击速度的正相关关系。
陈勇|李杰|黄硕|孙亮|蒲明杰|张泽|刘磊
常州大学机械工程与轨道交通学院，中国常州213164
摘要
激光冲击强化（Laser Shock Peening, LSP）作为一种先进的表面改性技术，能够显著提高金属材料的机械性能。然而，实验研究无法从原子层面及时探索微观结构的动态演变过程。因此，本文提出了一种创新且有效的分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟方法，深入分析了NiCrFeCoCu超合金在LSP处理下的动态变形行为和微观结构演变机制。通过粒子速度和应力分布，研究了双波的分离以及塑性变形的进展。同时，对位错相互作用进行了表征，以阐明微观结构变化的内在机制。通过六方密排（hexagonal close-packed, HCP）晶粒结构和孪晶界的形成，讨论了堆垛缺陷的演变过程。结果表明，较高的冲击速度会导致更剧烈的塑性变形、更强的位错相互作用以及更明显的堆垛缺陷形成，这些堆垛缺陷在高速冲击下会演变为六方密排晶粒结构。此外，松弛后形成的孪晶界直接由内在堆垛缺陷引发，无需外在堆垛缺陷的介入。最后，探讨了激光冲击强化处理后NiCrFeCoCu超合金的晶粒细化机制，发现细化程度随冲击速度的提高而增强。这项工作有望为提高金属材料的综合机械性能提供一种先进的技术方法和研究途径，并进一步促进LSP技术在抗疲劳制造中的应用。
引言
基于镍的合金因其优异的机械性能（包括高强度、出色的抗蠕变能力和卓越的抗疲劳性能）而在航空航天、核能或医疗设备行业中得到广泛应用[1]、[2]。尽管具有这些优点，但这些材料经常面临恶劣的工作条件，这会加速部件的退化，促进裂纹的萌生和扩展，最终缩短使用寿命[3]。为了提高表面完整性并减轻关键部件在长时间运行中的严重损伤，已经开发并应用了多种表面改性技术，如滚压、喷丸和超声喷丸[4]。然而，传统的表面改性方法通常存在一些缺点，包括浅层压缩残余应力层、工艺控制的复杂性以及难以实现精确均匀的表面强化。因此，开发和实施更先进的表面强化技术在应对金属材料在苛刻工作条件下的机械性能下降方面具有重要意义。
激光冲击强化（Laser Shock Peening, LSP）作为一种先进的表面改性技术，利用高能脉冲激光束照射金属材料表面[5]、[6]。覆盖在目标材料表面的吸收层迅速吸收激光能量并蒸发，形成高温高压等离子体[7]。在约束层的作用下，等离子体无法自由向外扩展，其巨大的反作用力以冲击波的形式快速传播到材料内部，导致塑性变形并最终实现强化[8]。与传统表面改性技术相比，LSP可以引入更深、更稳定的压缩残余应力，远超过传统方法产生的浅层应力，有效抑制疲劳裂纹的萌生和扩展[9]。同时，LSP能够实现对冲击区域的精确控制和局部强化，适用于复杂的几何形状零件。近年来的大量研究表明，LSP显著提高了材料的机械性能，包括抗应力腐蚀开裂、磨损和侵蚀的能力，从而改善了材料在恶劣环境条件下的使用性能。Tong等人[10]发现LSP产生了高压缩残余应力并形成了优异的微观结构，显著提高了2A96铝锂合金的强度和耐腐蚀性。Wei等人[11]研究了LSP对纯铜微观结构和机械性能的影响，结果表明LSP可以显著提高表面硬度并促进晶粒细化。Wang等人[12]发现飞秒激光冲击显著提高了材料的超高周拉伸疲劳极限。Wu等人[13]证明LSP可以显著增加15–5 PH不锈钢的表面压缩残余应力 and 硬度，有利于提高耐磨性并改变磨损机制。Wang等人[14]利用LSP技术研究了6061-T6和6082-T6铝合金在海洋环境中的性能改进，发现LSP可以提高表面硬度、压缩残余应力 and 疲劳寿命。
相比之下，分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟作为一种强大的方法，能够在原子尺度上研究变形行为，为LSP背后的微观机制提供了深入的见解，特别是在冲击诱导的相变和缺陷动力学方面[15]。例如，Zong等人[16]揭示了钛单晶中剪切应力驱动的各向异性相变机制和路径。Sun等人[17]建立了冲击速度与LSP能量密度之间的关联，阐明了随着能量密度的增加，α-Ti从以孪晶为主的变形向位错滑移和非晶化的转变。Ling等人[18]探讨了晶体取向在控制单晶铁中BCC到HCP相变和非晶-晶体界面位错行为中的关键作用。Wang等人[19]模拟了单晶铜中的LSP过程，识别出塑性变形过程中的FCC → BCC → HCP相变路径，并强调了由空洞等缺陷引起的反射卸载效应。Tang等人[20]进一步将LSP模拟与磨损行为相结合，证明LSP诱导的晶体缺陷（如位错锁和堆垛缺陷）有效抑制了位错运动，从而提高了Cu-Sn合金的耐磨性。
尽管上述研究广泛探讨了纯金属和合金在LSP作用下的动态响应，但对于NiCrFeCoCu超合金在高应变率冲击载荷下的变形行为仍缺乏系统的理解。特别是，堆垛缺陷演变为六方密排（HCP）晶粒结构的原子尺度机制，以及LSP过程中亚晶界变化所介导的晶粒细化过程，尚未得到全面分析。因此，对基于镍的合金在LSP作用下的原子尺度动力学进行系统研究至关重要[21]。在本研究中，我们利用活塞法（piston method）的MD模拟，系统研究了NiCrFeCoCu超合金的弹性-塑性波分离特性、堆垛缺陷演变和相变诱导的晶粒细化机制。
模拟方法和步骤
为了研究NiCrFeCoCu超合金在LSP作用下的微观响应，使用了大规模原子/分子并行模拟器（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator, LAMMPS）[22]进行MD模拟。以IN 718镍基合金为例，Wang等人[23]通过调整Ni-Cr-Fe三元组合的比例，得到了与IN718镍基合金密度值相符的Ni60Cr21Fe19合金成分，有效反映了其整体
粒子速度分布
由于冲击波后的粒子速度是一个重要的物理参数，它表征了波的传播行为，并在分析冲击波结构中起着关键作用，因此将NiCrFeCoCu超合金模型沿LSP加载方向划分为多层。每层的质心坐标被用作测量冲击波传播距离的参考位置。在高应变率条件下，局部粒子速度受到集体
结论
本研究通过MD模拟探讨了LSP对NiCrFeCoCu超合金塑性变形行为和微观结构响应的调控作用。通过比较不同冲击速度下的模拟结果，主要发现如下：
(1)在激光冲击波加载过程中，NiCrFeCoCu超合金逐渐发生塑性变形和双波分离现象。随着冲击速度的增加，弹性区域的粒子速度
作者贡献声明
陈勇：撰写 – 原始草稿。李杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿。黄硕：方法论。孙亮：实验研究。蒲明杰：软件应用。张泽：形式分析。刘磊：概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢以下机构的支持：国家自然科学基金（编号：52105429、52375186）、江苏省青兰计划、中国博士后科学基金（编号：2022M712583）、内蒙古自治区科学技术计划项目（编号：2025YFHH0104）以及青年教师科研创新能力支持项目（编号：ZYGXQNJSKYCXNLZCXM-D5）。
