综述：铝合金成形、热处理、增材制造与表面改性技术的疲劳性能研究综述

《Crystals》：A Review of Fatigue Performance Research on Aluminum Alloy Forming, Heat Treatment, Additive Manufacturing and Surface Modification Technologies

　　

铝合金是一种以铝为基体，添加铜、镁、硅、锌、锰或锂等元素制成的轻质高强度材料。因其具有低密度、高比强度、优异的成形性和出色的耐腐蚀性，被广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车轻量化和增材制造等领域。在航空航天领域，疲劳失效是承载部件的主要失效模式。本文综述了喷丸强化（SP）、激光冲击强化（LSP）、物理气相沉积（PVD）、微弧氧化（MAO）、阳极氧化（ANO）、增材制造、铸造、挤压和热处理等多种强化技术对铝合金疲劳性能的影响机理；分析了工艺原理、涂层成分和微观组织（晶粒、相组成和界面结合）对裂纹萌生与扩展的调控作用；讨论了塑性变形强化与涂层功能性之间的协同效应；总结了影响铝合金疲劳寿命的关键材料与工艺因素；最后展望了高可靠性服役需求驱动的技术发展趋势。

2. 表面强化技术
在铝合金疲劳性能研究中，疲劳强度（σ_a）和疲劳寿命（N_f）是表征材料抗疲劳性能的两个核心定量指标，分别反映材料在循环载荷下抵抗破坏的最大应力幅值和材料在破坏前所能承受的应力循环次数。表面粗糙度作为关键形貌参数，对疲劳性能具有显著负面影响：高表面粗糙度会诱发局部应力集中并加速疲劳裂纹萌生，从而显著缩短疲劳寿命。然而，尽管喷丸强化（SP）和激光冲击强化（LSP）等表面强化工艺在初始阶段可能引入一定程度的表面形貌扰动，但其主导效应在于通过多重机制实现对疲劳损伤全过程协同调控，包括引入深度梯度分布的残余压应力场、细化表层晶粒结构、闭合微裂纹以及抑制位错滑移带扩展。因此，在合理工艺窗口内，表面强化不仅能有效抵消粗糙度带来的不利影响，还能全面提升铝合金的疲劳强度和疲劳寿命，展现出显著的净增益效应。

2.1. 喷丸对铝合金疲劳性能的影响
SP是一种成熟、高效的表面塑性变形强化技术，已在工程实践中广泛应用。研究表明，SP能显著抑制疲劳裂纹萌生、延缓裂纹扩展，并有效延长关键承载部件的服役寿命。通过精确调控弹丸材料、粒径分布、喷射压力、入射角度和覆盖率等关键工艺参数，该工艺可在铝合金表层诱发可控塑性应变，从而在近表面区域形成高密度位错缠结、位错胞和纳米/超细晶结构，显著提高表层显微硬度和屈服强度，增强其抵抗循环塑性变形的能力，并削弱疲劳敏感区域的应力集中效应。最为关键的是，引入的梯度分布残余压应力场能部分抵消服役过程中的外加拉应力，显著降低表面裂纹形核的热力学驱动力；即使裂纹已经萌生，该压应力场也能通过闭合效应抑制裂纹尖端张开位移，从而延缓裂纹的稳态扩展速率。然而，当工艺参数超出合理范围时（如弹丸尺寸过大、喷射压力过高或覆盖率过大），会诱发表层过载塑性变形，产生表面剥落、微坑聚集甚至新生微裂纹，进而成为潜在疲劳源。因此，针对不同牌号、热处理状态和服役要求的铝合金材料，基于微观组织演变与残余应力场协同调控开展工艺参数适应性研究，是最大化SP强化效率并最小化失效风险的关键技术前提。目前主流的基于SP的表面强化技术主要包括SP、LSP和振动喷丸（VSP）。SP依靠高速弹丸的机械动能传递，在铝合金表层诱发塑性变形并引入浅层残余压应力，从而提高材料的高周疲劳（HCF）寿命。相比之下，LSP和VSP分别基于纳秒高功率脉冲激光诱导等离子体冲击波，以及高频超声振动耦合微冲击的物理机制，能够在材料近表面区域形成深度更大、幅值更高、梯度分布更有利的残余压应力场，同时实现更显著的晶粒细化和更高位错密度。因此，与SP相比，LSP和VSP在抑制疲劳裂纹萌生和延缓早期裂纹扩展方面表现出更优异的综合性能，尤其适用于对疲劳可靠性要求严苛的关键承载部件。

2.2. 喷丸处理
未经处理的铝合金构件疲劳裂纹主要萌生于应力集中区域，且通常观察到多条裂纹；经表面机械喷丸处理（SP）后，试样裂纹仅在接触区域边缘萌生，表面未检测到磨损凹坑，从而延长了铝合金的疲劳寿命。Ma研究团队开发了一种微观组织敏感的晶体塑性有限元（CPFE）模型，用于定量预测喷丸7075铝合金在高周疲劳（HCF）和超高周疲劳（VHCF）下的裂纹萌生寿命。该模型解决了超长寿命疲劳问题中残余压应力（CRS）与表面粗糙度竞争相互作用的核心问题。结果表明，CRS可缓解近表面拉应力并延长疲劳寿命，而表面粗糙度则会在表面谷底诱发应变能集中并加速损伤累积。在VHCF区低应力幅下，CRS起主导作用，中等喷丸强度（0.10 mmA）可将疲劳寿命延长至约10¹⁰次循环，而过高的喷丸强度（0.15 mmA）因粗糙度加剧抵消了CRS的有益效果，反而缩短疲劳寿命。在HCF区高应力幅下，由于CRS趋于快速松弛，粗糙度主导失效过程。模型成功再现了分散的实验寿命带，超过95%的预测值落在实测数据两倍分散带内。Denisa等人对比了100%和1000%两种SP覆盖率条件下的性能响应，结果表明100%覆盖率工艺获得最佳疲劳强化效果，将合金疲劳极限从65 MPa提高至79 MPa，增幅达21.5%。残余应力剖面和X射线衍射半高宽分析表明，覆盖率超过100%后，延长SP时间既不能加深残余压应力层，也不能显著提高其幅值。Koji等人对比了传统SP和非接触空化喷丸（CP）对7075铝合金在应力比R=0平面弯曲疲劳下的强化效果。CP实现的残余压应力幅值与SP相当，但穿透深度更大，且表面更光滑；而SP形成了可测量的亚表面加工硬化层。SP处理后试样的疲劳极限达320 MPa，CP试样为280 MPa，SP因残余压应力、加工硬化和适度致密化的综合作用表现出更优的缺陷容限。Ma研究团队系统研究了SP对AA7075-T6铝合金超声拉压疲劳性能的影响，采用两种喷丸强度（SP1：0.10 mmA；SP2：0.20 mmA）。结果表明SP2诱导出更强更深的CRS场，但显著增加了表面粗糙度。S-N曲线呈现双区域特征：在HCF区，表面粗糙度主导损伤演化；在VHCF区，深层CRS有效抑制表面裂纹扩展，疲劳破坏转移至内部夹杂物或第二相驱动的内部萌生。SP1在CRS强化与表面质量之间取得更好平衡，其VHCF抗疲劳性能略高于SP2。Erik等人系统比较了四种典型SP介质在相同工艺参数下对7075-T6铝合金表面完整性和轴向HCF性能的影响。结果显示SiO₂介质表现出最优的整体强化效果，其诱导的残余压应力梯度与表面形貌改善之间的协同效应最为显著，最终实现了最高的疲劳极限，达290 MPa，较基态提升约28%。

2.3. 激光冲击强化处理
LSP已成为一种重要的表面改性技术，通过控制铝合金的微观组织和残余应力可延长其高周和超高周疲劳寿命。其核心优势源于四个固有工艺特性：（1）能量沉积的高度局部化显著降低了薄壁或复杂构型部件在强化过程中发生意外塑性失稳的风险；（2）通过合理调控激光光斑搭接率和扫描路径，可在宏观尺度实现残余压应力场的均匀分布；（3）在表层诱导纳米晶/超细晶结构；（4）产生显著的位错增殖和晶界强化效应，协同增强材料对疲劳裂纹萌生和早期扩展的双重抗力。Maziar研究团队构建了基于物理机制的微观敏感CPFE本构模型，耦合了Fatemi-Socie疲劳指示参数（FIP）与Gumbel极值统计理论，系统量化了多次LSP处理对AA2195-T6铝锂合金搅拌摩擦焊（FSW）接头HCF性能提升的三种主导强化机制及其贡献权重。数值分解结果表明，表面残余压应力对疲劳性能提升的贡献最为显著（极端FIP降低61–74%），其次是晶体织构均匀化效应（15–22%），位错加工硬化效应贡献相对最小（11–20%）。随着LSP道次增加，晶界处峰值FIP持续下降且分散性显著收窄，疲劳裂纹萌生位置逐渐从原始表面迁移至最大深度达2.5 mm的亚表面区域。轴向HCF试验验证了这一预测趋势，在低应力幅条件下，残余应力松弛程度轻微，接头疲劳寿命最多可提高481%。Enrico等人对带弧形缺口的6082-T6铝合金试样采用无涂层LSP进行表面强化处理，结合三点弯曲HCF试验和基于Chaboche循环塑性本构模型的有限元数值模拟，揭示了LSP在缺口几何约束下对疲劳性能的调控机制。结果表明，无涂层LSP可使试样表层布氏硬度提高约50%；在应力比R=0.1条件下，经LSP处理的部件在多级弯曲应力载荷下的疲劳寿命是原始试样的1.7–3.3倍。数值模拟进一步证实LSP在缺口表层诱导峰值210 MPa的残余压应力场，有效压应力层深度约0.7 mm。Jan研究团队针对易发生敏化晶间腐蚀的海洋级AA5083-H116铝合金，系统比较了常规带保护涂层LSP、流水无涂层激光喷丸和浸水无涂层激光喷丸（LPwC）三种表面强化工艺。结果表明，浸水LPwC（LPwC-SHG）获得最佳强化效果，疲劳强度分别提高59%、69%和74%。其强化机制可归因于双重协同效应：一方面，表层深且宽的残余压应力场有效抵消循环载荷下的表面拉应力，显著抑制敏化晶界处腐蚀疲劳裂纹的萌生；另一方面，LPwC-SHG工艺原位形成的致密Al₂O₃基氧化膜显著降低了点蚀敏感性，延缓了局部腐蚀向裂纹的转变过程。Sano等人采用飞秒激光驱动的大气环境无涂层干式激光冲击喷丸（DryLSP）工艺，对具有熔池软化、焊趾咬边和内部气孔等典型缺陷的2024-T3铝合金光纤激光焊接接头进行表面强化研究。经DryLSP处理后，焊缝区硬度恢复到母材水平，表层0–100 μm深度范围内的残余应力从拉应力完全转变为压应力，峰值达?380 MPa；冲击诱导的位错密度从原始态的1.0×10¹⁴ m^?2显著增加至5.1×10¹⁴ m^?2。在高应力幅（180 MPa）下，中值疲劳寿命提高约1.0倍；在低应力幅（120 MPa）下，中值疲劳寿命提高多达52倍。

2.4. 其他表面变形强化方法
除上述常规表面变形强化技术外，国内外学者持续探索创新方法。在提高铝合金疲劳寿命的表面变形强化领域，其他方法包括激光诱导等离子体空化喷丸（LIPCP）和振动喷丸（VSP）。Zhang研究团队提出了LIPCP技术，系统研究了激光能量密度和冲击次数对铝合金表面完整性和抗空蚀疲劳性能的影响，阐明了等离子体冲击波与空化溃灭冲击波在空间和时间尺度上的协同强化机制。结果表明，提高激光能量密度持续增加强化层深度，显著减少表面微凸起和凹坑，表面粗糙度（Ra）最多降低42%。表层残余压应力幅值随能量密度和冲击次数的增加同步升高，并在五次冲击后达到饱和。在高能量密度下，仅需三次冲击即可达到低能量密度下十次冲击的硬化层深度和应力水平，大幅提高了加工效率。LIPCP试样的累积质量损失率比原始基体低76%。高幅残余压应力不仅提高了裂纹扩展门槛值，还有效抑制了空蚀诱导微裂纹的萌生和早期扩展。Skoczylas等人对铝合金进行VSP处理，通过循环扭转疲劳试验、断口表面分析以及表面硬度和粗糙度测量，系统研究了喷丸时长和时效状态对疲劳寿命和表面完整性的影响。结果表明，VSP提高了两种合金的扭转疲劳性能，但响应差异显著。对于T6合金，疲劳寿命随喷丸时间延长持续增加——1分钟后提高2.2倍，10分钟后提高4.9倍，断口表面观察到一个疲劳源。相比之下，T64合金仅在1分钟处理时获得最佳性能，疲劳寿命提高8.3倍；但将处理时间延长至10分钟会导致表面过度变形，诱发微裂纹和结构缺口，产生多个疲劳源，寿命提高幅度降至仅2.5倍。

3. 涂层制备与加工技术
可通过涂层控制铝合金的表面粗糙度，但其疲劳性能不仅取决于涂层形貌，还显著依赖于涂层制备工艺参数（如喷涂功率、送粉速率和基体温度）以及涂层固有性能（如结合强度、弹性模量和残余应力状态）。铝合金疲劳性能的关键评价指标是疲劳寿命和疲劳强度。涂层对疲劳行为的影响主要取决于其类型、微观结构和制备工艺。

3.1. 物理气相沉积
Twu采用物理气相沉积技术在2024铝合金基体上沉积了TiN、CrN和TiAlN硬质陶瓷涂层。低温涂层沉积未引入显著残余拉应力，且所有涂层均略微降低了表面粗糙度：TiAlN涂层试样表面粗糙度最低，而CrN涂层试样略高。旋转弯曲疲劳试验表明，涂层沉积显著提高了两类基体的疲劳强度和疲劳寿命，且强化效果在低应力高周疲劳区更为突出——在高应力低周区疲劳寿命延长有限，而在低应力高周区疲劳寿命可提高数千至数万百分比。其中，TiAlN涂层显著增加了2024铝合金的疲劳寿命。

3.2. 微弧氧化
微弧氧化（MAO）是一种在金属表面原位生长陶瓷涂层的表面改性技术。该技术获得的涂层具有高耐磨性、高强度以及与基体优异的附着力。然而，其固有的多孔疏松结构易诱发疲劳裂纹在涂层内萌生并扩展到金属基体，从而降低铝合金的疲劳性能。Li等人在铝合金基体上制备了MAO陶瓷涂层，确定涂层内部微孔和界面拉伸残余应力是主要的应力集中源，显著降低了基体的疲劳强度，并据此建立了适用于薄MAO涂层铝合金的统一疲劳寿命方程。Dai研究团队采用四种不同脉冲占空比在铝合金基体上制备微弧氧化陶瓷涂层。结果表明，随着占空比增加，涂层厚度和表面粗糙度同步增加。15%占空比试样表面粗糙度（Ra）为0.717 μm，孔隙率最高。20%占空比试样中，熔融氧化物铺展形成饼状结构，孔隙率降低。在R=0.1条件下的HCF试验表明，MAO涂层引入的表面孔隙、微裂纹和界面拉应力显著降低了基体的疲劳强度，所有涂层试样的寿命均短于裸材。低占空比（8%和10%）涂层较薄、缺陷较少，界面嵌入浅，疲劳退化较小；而高占空比（15%和20%）涂层较厚、多孔，界面嵌入深，导致严重应力集中和疲劳强度显著降低。孔隙率在15%占空比时达到峰值，但进一步增加至20%时开始下降，表明孔隙率并不仅仅是随占空比单调增加。

3.3. 阳极氧化
George研究团队提出了一种以铝合金为基体的阳极氧化工艺，旨在利用基体的弹性恢复来缓解氧化膜与铝基体热膨胀失配引起的界面拉伸残余应力，从而减少固有裂纹并提高HCF强度。对涂层厚度相似的两种试样进行了R=?1旋转弯曲HCF试验比较：一种无预应变（30分钟），另一种带800 N预应变（15分钟）。裸基体在10⁷次循环后的疲劳强度达120 MPa；硬质阳极氧化后，由于涂层脆性、表面拉伸残余应力和界面缺陷的综合作用，疲劳强度降至约60 MPa。对于预应变试样，膜内更高的拉应力和更大的裂纹密度进一步将疲劳强度降至50 MPa。结果表明，弹性预拉伸非但不能抵消热残余拉应力，反而加剧涂层缺陷和应力集中，持续削弱铝合金的HCF强度。Aldanondo等人研究了采用三价铬无铬薄膜硫酸阳极氧化（TFSAA）工艺的铝锂合金摩擦焊接头。应力比R=0.1的旋转弯曲疲劳试验表明：在高应力幅下，裂纹从热影响区萌生，疲劳强度由焊缝软化区主导；在低应力高周条件下，微动疲劳成为接头疲劳强度的主导控制因素——搭接界面往复滑动摩擦产生的氧化铝磨屑积聚并充当疲劳裂纹源。未密封的裸露接头表现出最低的疲劳强度，而单面处理和单层密封剂应用均可减少界面摩擦损伤并略微延长疲劳寿命。

3.4. 增材制造
Chmelko等人研究了增材制造铝合金，发现沿平行于剪切面的沉积方向存在拉伸残余应力集中，显著降低了疲劳强度。这里所指的剪切面是增材制造工艺产生的层间界面，即连续熔覆层之间的界面，而非晶体滑移面或外加载荷引起的剪切面。低周和高周疲劳行为表现出明显区别：在低周高应力条件下，增材试样的疲劳强度与传统试样相当；但在高周条件下，增材试样的疲劳强度大幅下降。该工艺可消除由高表面粗糙度和焊接接头拉伸残余应力引起的疲劳敏感区，静强度满足服役要求，仅HCF强度低于传统焊接框架。Lei等人以选区激光熔化（SLM）铝合金为材料，设置基板温度为35 °C、60 °C、80 °C（低温）和200 °C（高温），制备了沉积态（F）和T5人工时效两种试样。旋转弯曲HCF试验表明，80 °C基板结合T5时效处理的X方向试样表现出最佳疲劳性能，在10⁶次循环下获得最高许用应力幅。相反，200 °C高温基板会恶化SLM-AlSi7Mg的疲劳寿命。

3.5. 其他方法
除上述涂层制备和表面处理技术外，研究人员还探索了热处理、铸造和挤压等方法来消除铝合金表面残余应力，从而提高疲劳强度和延长疲劳寿命。Driss等人对铸造Al-Si合金进行应力比R=0.1的单轴HCF试验，研究了铸造缺陷群对疲劳尺寸效应、疲劳强度和数据分散性的影响。结果表明，孔隙密度和缺陷尺寸分布是决定疲劳尺寸效应和实验变异性的关键因素。在恒定表面粗糙度和残余应力条件下，具有高孔隙率和密集分布大缺陷的铸造合金可降低尺寸效应。Ren研究团队对铸造Al-Si合金进行R=1单轴HCF试验，系统研究了空间微观组织不均匀性——包括二次枝晶臂间距（SDAS）、硅颗粒形态以及孔洞尺寸、形状和深度——对疲劳强度和寿命分散性的影响，并细化了多级疲劳寿命预测模型，可在60–80 MPa应力幅范围内准确预测HCF强度和寿命。

4. 结论
基于以上文献综述和系统梳理，本文得出以下结论：（1）表面强化技术可通过在表层引入残余压应力、细化晶粒组织和缓解应力集中，有效提高铝合金的疲劳强度并延长其服役寿命。其作用机制在于上述强化效应主导整体疲劳性能响应，从而克服工艺可能诱发的表面缺陷或微裂纹等不利因素。（2）涂层对铝合金疲劳性能的影响主要取决于涂层类型、微观结构特征和制备工艺参数。疲劳裂纹通常在涂层内部或涂层/基体界面处萌生，其扩展行为由涂层力学性能和界面结合质量共同控制。（3）表面强化与涂层处理的协同应用可有效改善铝合金的疲劳性能：涂层处理有助于抑制表面强化引起的表面粗糙度增加；而表面强化通过引入残余压应力、细化表面晶粒和改善微观组织均匀性，进一步增强材料的抗疲劳性能。

5. 未来展望
表面强化技术能有效提高铝合金的疲劳性能，已在各个工业领域得到广泛应用。目前研究主要集中在表面变形强化和涂层制备工艺上，目标是在保证疲劳性能的同时协同提高耐磨性和耐腐蚀性等综合服役性能。相比之下，对铝合金表面强化疲劳机理的研究仍相对薄弱，亟需系统深入探索。未来研究应聚焦以下关键方向：（1）表面机械喷丸处理在调控表面粗糙度和塑性变形程度方面存在固有局限性，难以满足航空航天领域的严苛服役要求。未来应重点开发降低表面粗糙度和精确调控塑性变形程度的新策略。（2）表面涂层制备工艺易在涂层中引入孔隙和微裂纹，进而降低基体材料的疲劳性能。因此，迫切需要系统研究涂层选择、制备参数、厚度调控和多层结构之间的协同效应，以支持此类涂层抗疲劳应用的可靠设计和工程实施。（3）表面变形强化与涂层技术的复合应用在调控材料疲劳性能方面展现出显著潜力，可同时提高疲劳强度以及耐磨性、耐高温性和耐腐蚀性等综合服役性能，该领域亟需系统深入的研究。