通过电磁辅助激光冲击强化改善钛64合金的表面完整性

《Surface and Coatings Technology》：Improving surface integrity of Ti64 alloy via electromagnetic assisted laser shock peening

　　

摘要

传统激光冲击强化（LSP）的强化效率本质上受到许多难变形金属塑性有限的制约。为克服这一局限性，我们提出了一种电磁场辅助激光冲击强化（EM-LSP）方法，该方法利用电磁塑性效应提高材料的变形能力，从而增强强化效果。在相同的激光功率密度 6 GW/cm² 下，对 Ti64 合金进行了 EM-LSP 与传统 LSP 的系统对比研究。与传统 LSP 相比，EM-LSP 能够产生更深的塑性变形层和更高幅值的残余压应力（CRS），且 CRS 作用层延伸至约 650 μm。电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）分析表明，EM-LSP 促进了基面 <a?>?位错滑移的激活，并增加了纳米孪晶密度。单向拉伸测试表明，强度和塑性同时得到改善，极限抗拉强度增至 1160.1 MPa，伸长率增至 12.75%。这可归因于更深的梯度微观组织所带来的应变硬化能力提高。断口分析进一步证实，EM-LSP 处理后的试样呈现出更为均匀的韧性断裂特征。这些发现确立了 EM-LSP 作为一种有前景的表面工程策略，用于提升航空航天领域钛合金零件的表面完整性和服役性能。

引言

钛合金因其高比强度、低密度、优异的生物相容性、强耐腐蚀性和高断裂韧性，被广泛应用于航空、航天、军工和生物医学领域 [1], [2]。在长期服役过程中，钛合金部件会遭受应力腐蚀、摩擦磨损以及循环载荷等作用，这些都会加速损伤累积并最终导致部件失效 [3]。因此，通常需要进行表面处理以提高结构件的表面完整性。

激光冲击强化（LSP）是一种表面强化工艺，利用激光诱发的冲击波在表面区域产生梯度残余压应力（CRS）场，并将晶粒细化至亚微米甚至纳米尺度，从而改善结构件的力学性能 [4], [5]。以往研究表明，LSP 能有效提升 Ti-6Al-4?V（Ti64）合金的力学性能，尤其是其抗疲劳性能 [6], [7]。然而，对于 Ti64 合金（一种典型的难变形合金），其较高的本征变形抗力和有限的室温塑性限制了 LSP 的强化效率 [8]。保守的激光功率密度会导致塑性变形和微观组织细化程度有限，而激进的处理工艺则可能损害表面完整性，甚至造成表面剥落 [9], [10]。

为提高表面完整性和强化效率，研究人员引入了外部能量场，包括热场、电场、磁场和机械场等，以辅助 LSP 工艺。Ye 等人 [11] 提出了温激光冲击强化（WLSP），即在较高温度下进行 LSP 处理。与传统 LSP 相比，WLSP 可产生更密集且分布更均匀的位错结构，从而获得更稳定的 CRS。Zhang 等人 [12] 进一步提出了一种利用连续波激光实现局部高温的 LSP 方法。与 WLSP 相比，该方法能够对处理区域进行更精确的局部加热，从而提高加工精度和效率。然而，热效应（如晶粒粗化和微观组织不稳定）也会抵消 LSP 所带来的有益改性效果。

近来，脉冲电流和磁场已被证明能够在相对较低的热输入下促进塑性流动。与电塑性效应相对应 [13]，电辅助变形被发现能够降低流动应力并改善高强合金的成形性能 [14]。Zhang 等人 [15] 报道，电脉冲辅助激光冲击强化（EP-LSP）通过促进塑性变形过程中的位错运动，显著提高了 Ti64 合金的表面硬度和硬化层深度。更重要的是，近期的一项研究表明，在电脉冲辅助表面严重塑性变形（SSPD）过程中，由电脉冲介导的位错重构显著增强了 Ti64 合金中 CRS 的循环稳定性，从而显著改善了其力学性能 [16]。此外，脉冲电流所诱发的磁场可以通过改变顺磁性缺陷复合体的自旋状态来调节位错与障碍之间的相互作用，从而提高位错活动度和塑性。基于这一机制，磁场也被引入到成形和表面处理工艺中。Huang 等人 [17] 表明，在 7075-T6 铝合金中，磁辅助激光冲击强化（MA-LSP）能够产生更深的硬化层和更高的 CRS，这是由于磁塑性和磁约束等离子体扩展的综合作用所致。Li 等人 [18] 指出，脉冲磁场处理能够改变 Cr4Mo4V 轴承钢的缺陷演化和力学响应，进一步支持了磁场辅助在塑性变形调控中的潜在作用。

越来越多的关注集中在理解耦合电场和磁场如何影响变形行为上，凸显了电磁耦合效应在调控材料塑性中的关键作用。例如，Yang 等人 [19] 报道了在耦合电场和磁场激励下铜的显著力学软化，表明场的耦合比单独使用任一场更能有效地促进塑性流动。后来在 Ti64 合金中也观察到了类似效应。Ye 等人 [20] 发现，在耦合电磁场下 Ti64 表现出比单独施加电场或磁场更为明显的力学软化，凸显了场耦合对塑性变形行为的强烈影响。其后续工作 [21] 证实，电磁辅助 SSPD 通过降低临界分切应力促进了 <c?+?a?>?滑移的激活，从而改善了塑性应变的容纳能力。综合来看，这些研究结果表明，耦合电磁场为克服 Ti64 合金有限的室温塑性提供了一条有前景的途径。降低变形抗力有望增加机械作用层的深度，并促进更显著的表面梯度组织形成，该组织可以通过应变梯度和几何必需位错（GNDs）容纳塑性不相容，从而产生背应力强化和额外的应变硬化 [22], [23]。

在此基础上，开发了一种将电磁场与激光冲击强化相结合的新型混合工艺，称为电磁场辅助激光冲击强化（EM-LSP）。本文系统地研究了 EM-LSP 对表面硬度、残余应力和微观组织演变的影响。特别关注电磁耦合在提高变形深度、残余应力场以及变形相关微观组织特征方面的作用。研究结果为更有效地强化 Ti64 合金提供了基础，并为先进表面工程策略提供了新的见解。

各节摘要

EM-LSP 实验装置

EM-LSP 工艺的实验装置与配置如图 1 所示。EM-LSP 系统由位于试样两侧的永磁体组成，而电接触则通过连接到脉冲电源的铜板建立。该电源以 400 Hz 的频率输出电流，脉冲宽度为 64 μs，能够同时施加电场和磁场。永磁体产生 0.3 T 的磁场

表面形貌

为分析 EM-LSP 道数对表面形貌的影响，额外制备了一道具有一次处理的试样。在本节中，EM-1-LSP 和 EM-3-LSP 分别用于表示经过一次和三次 EM-LSP 处理的试样。表面形貌以图 1 中定义的试样坐标系为参考进行分析。基体（BM）表面保留了机加工刀痕，但整体较为平整（图 3a）。一次处理后，EM-1-LSP 表面呈现出周期性的

电磁场诱发的电磁塑性效应

为阐明电磁塑性效应的作用及其内在机制，进行了多工况下电-磁辅助压痕测试，以系统评估电场、磁场及其耦合作用对 Ti-6Al-4?V（Ti64）合金局部塑性变形和硬度的影响。如图 10b 所示，在磁场辅助（MA, 0.3 T）条件下，硬度从 357 HV 略微降至 335 HV，表明单独施加磁场具有

结论

本研究提出并验证了一种 EM-LSP 策略，以提高传统 LSP 的效果。在相同的处理条件下，对 LSP 和 EM-LSP 在表面完整性、残余应力、微观组织演变和拉伸响应方面进行了系统对比。主要结论总结如下：

• 1.
  电磁耦合通过增强电塑性效应引发显著的无热软化。 电磁辅助压痕测试表明，在

CRediT 作者贡献声明

Licheng Zhu：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，验证，方法学，调查。Yu Zhang：验证，方法学，调查，形式化分析。Binghan Huang：调查，形式化分析。Chao Tang：调查，形式化分析。Kai Wang：调查。Xiao Jia：形式化分析，概念化。Yukui Gao：监督指导，概念化。Han Ding：监督指导，资源获取。Chang Ye：监督指导，项目管理，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本研究所报道工作的任何已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金委员会（批准号 52475458 和 52075200）的资助。作者感谢 J. Wang 教授提出的宝贵意见。

Licheng Zhu|Yu Zhang|Binghan Huang|Chao Tang|Kai Wang|Xiao Jia|Yukui Gao|Han Ding|Chang Ye

华中科技大学 机械科学与工程学院，中国湖北省武汉市 430074