《Optics & Laser Technology》：Surface integrity modification and axial fatigue performance improvement of SLM-fabricated 17-4PH stainless steel directly post-processed by microscale laser shock peening without coating
编辑推荐：
•μLSPwC 在 SLM 17-4PH 不锈钢的近表层诱发了高达 350 MPa 的最大压缩残余应力。•μLSPwC 处理后，SLM 17-4PH 不锈钢的平均晶粒尺寸从 2.36 μm 减小至 1.72 μm。•与原始构建态试样相比，μLSPwC 处理试样的高周疲劳寿命提
- •
μLSPwC 在 SLM 17-4PH 不锈钢的近表层诱发了高达 350 MPa 的最大压缩残余应力。
- •
μLSPwC 处理后，SLM 17-4PH 不锈钢的平均晶粒尺寸从 2.36 μm 减小至 1.72 μm。
- •
与原始构建态试样相比，μLSPwC 处理试样的高周疲劳寿命提高了 20.6%。
引言
增材制造 (AM) 已作为一种能够制造复杂几何结构的高级技术出现，并已被广泛应用于航空航天、军事及其他各种行业。作为 AM 的一个关键分支，SLM 能够实现复杂几何形状零件的快速生产，具有高精度、优异机械性能和材料浪费少等优势。然而，AM 生产的材料往往存在固有缺陷，包括表面质量差、孔隙率高和有害的拉伸残余应力。
为了缓解这些问题，通常采用热等静压 (HIP)、去应力退火和机械表面加工等后处理技术来减少缺陷并提高表面完整性 [1]。尽管有这些处理，AM 零件的疲劳性能通常仍不如锻件。因此，喷丸 [2]、滚压 [3] 和激光冲击强化 (LSP) [4] 等表面强化技术被越来越多地应用，以进一步提高抗疲劳性。
LSP 被认为是一种高效的表面改性技术，其特征是超高压力 (GPa 级) 和极高的应变率 (10? s?1 量级)。与传统喷丸相比，LSP 引入更深的压缩残余应力层 (高达 1–2 mm)，产生更优的表面光洁度，并在疲劳寿命方面提供更大的改善。该技术已被广泛应用于提高各种工程零件的性能，包括延长关键航空航天结构的疲劳寿命、减轻核反应堆容器焊缝中的应力腐蚀开裂，以及提高其他工业应用中的耐用性 [5], [6]。近年来，LSP 也被越来越多地用于提高 AM 零件的疲劳性能。越来越多的研究集中在 LSP 在 AM 零件中的基本机制和实际应用上，推动了该领域的重大进展。
Qiao 等人 [7] 研究了 LSP 对 AM 316L 不锈钢的影响。他们的结果表明，在机械表面加工后应用 LSP 会在表面引入压缩残余应力，显著增强了显微硬度和拉伸强度。截面沿线的显微硬度分布表现出与压缩残余应力相似的趋势。Xue 等人 [8] 考察了 LSP 对 AM TC4 钛合金微观组织和抗氧化性的影响。在表面磨削和抛光后进行 LSP 处理，在材料内部观察到高密度位错、变形孪晶和位错胞，导致晶粒细化。LSP 处理试样的显微硬度和表面压缩残余应力增加；在激光能量密度为 5 J/cm2 时，强化层深度达到约 0.4 mm。此外，材料的高温抗氧化性也得到了改善。上述两项研究表明，对增材制造试样进行 LSP 后处理可以导致微观组织改善，这同时表现为宏观性能的显著差异。相关研究也证实了这一点。
类似地，Maleki 等人 [9] 研究了 LSP 对 SLM 制造的带 V 型缺口 AlSi10Mg 试样旋转弯曲疲劳性能的影响。他们的结果表明，热处理与随后的 LSP 相结合使旋转弯曲疲劳寿命提高了 200 倍。这种显著增强主要归因于压缩残余应力的引入和表面粗糙度的改善。Jing 等人 [10] 研究了 LSP 对 WAAM 生产的 2319 铝合金疲劳性能的影响。尽管 LSP 处理试样的疲劳寿命增加了 2 倍，但在 LSP 处理后观察到表面粗糙度增加。多项研究 [11], [12], [13], [14] 调查了 AM 制造钛合金的 LSP 处理疲劳性能。结果表明，LSP 结合表面抛光有效地细化了微观组织，引入了有益的压缩残余应力，并延缓了裂纹扩展。
此外，工艺参数的适当性对疲劳性能也有显著影响。不合适的参数很容易诱发内部缺陷，从而大大降低零件的疲劳寿命。为了应对激光修复 GH4169 超合金高温疲劳数据的稀缺，Lan 等人 [15] 开发了一种适用于小样本量的疲劳寿命预测模型。他们的结果表明，即使只有少量的高温疲劳实验数据，也能实现可靠的寿命分布预测。Sandmann 等人 [[16], [17]] 研究了 LSP 引起的 L-PBF 316 L 不锈钢残余应力改性。结果表明，LSP 有效地将表面残余应力从拉伸转变为压缩。LSP 处理后，在严重塑性变形层中观察到晶粒细化，伴随显微硬度增加 22%。与抛光的原始构建态试样相比，LSP 处理试样表现出更优的耐磨性，磨损率降低了 26%。
上述研究主要集中于利用 LSP 作为后处理技术来增强增材制造零件的机械性能。由于原始构建态 AM 零件固有的高表面粗糙度，在 LSP 处理前通常需要机械表面加工。然而，对于通过增材制造制造的飞机铰链和支架等结构优化零件，应力集中区域通常具有复杂的几何形状，机械加工无法到达。此外，去应力退火在减轻这些区域的有害影响方面证明是不够的，导致疲劳强度和服务寿命受损。此外，这些应力集中区域的复杂表面形貌和高粗糙度阻碍了有效应用吸收保护层，使得常规 LSP 不可行。μLSPwC 出现作为一种实用且工程可行的解决方案。先前的研究表明，μLSPwC 可以显著提高各种锻材的抗疲劳性、耐磨性能和耐腐蚀性，包括铝合金 [18], [19]、钛合金 [20] 和不锈钢 [21], [22]。
基于先前的研究，本研究应用 μLSPwC 技术来增强增材制造零件的表面完整性和疲劳性能。该方法结合了热效应和机械效应：激光诱导的熔化解离效应改善表面粗糙度，而冲击波力效应引入压缩残余应力并细化近表面微观组织。因此，增材制造拓扑结构的疲劳性能得到显著增强。我们研究组在 TC4 钛合金 [23] 和 GH3625 镍基超合金 [24] 上的初步验证表明，旋转弯曲疲劳寿命有显著改善。然而，鉴于旋转弯曲疲劳主要评估试样的表面性能，增材制造零件的内部材料状态可能会限制整体疲劳行为。
因此，有必要通过轴向拉伸 - 压缩疲劳测试进行进一步验证。在本研究中，系统地研究了 μLSPwC 对选择性激光熔化 17-4PH 不锈钢表面完整性的影响，研究视角包括表面粗糙度、表面形貌、微观组织和残余应力分布。随后，进行了高周轴向拉伸 - 拉伸疲劳测试，以评估性能改善并阐明潜在的增强机制。
章节摘要
SLM 制造的 17-4PH 不锈钢
试样是使用 SLM 系统制造的，原始构建材料的化学成分列于表 1。SLM 过程使用北京埃普生 3D 科技有限公司制造的 EP-260 机器进行，参数如下：激光波长 1070 nm，激光光斑直径 90 μm，激光功率 200 W，扫描速度 1000 mm/s，光斑间距 0.11 mm，层厚 40 μm。采用了平行于零件边缘的双向扫描策略
表面形貌
原始构建态试样的表面形貌通过 SEM 进行了检查，如图 3 所示。图 3(a) 揭示了原始构建表面上典型的鱼鳞状形貌，其特征是周期性重熔边界和不均匀球形颗粒的分散。这种形貌是由 SLM 过程中激光光斑大小和重叠率的共同作用产生的，它们赋予表面周期性纹理。球形颗粒源于送粉的不完全熔化
结论
本研究系统地研究了 μLSPwC 对 SLM 制造的 17-4PH 不锈钢表面完整性和高周轴向疲劳性能的影响及潜在机制。分析重点关注包括表面形貌、微观组织演变、残余应力分布和高周轴向疲劳性能在内的关键方面。主要结论如下：
- (1)
通过热效应进行表面平滑：μLSPwC 的激光诱导熔化解离效应有效地平滑了
CRediT 作者贡献声明
崔润彬：撰写 - 原稿，可视化，方法论，调查，数据整理。尹正龙：监督，调查。石聪凯：调查。姜楠：调查。安志宾：调查。舒嵩：调查。聂相帆：撰写 - 审阅 & 编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了军工青年科学技术人才项目 (2024-QN08137)、陕西省青年人才支持计划 (SXQNBJ-2023016) 以及装备综合研究 (KJ2024B011010) 的支持。
崔润彬 | 尹正龙 | 石聪凯 | 姜楠 | 安志宾 | 舒嵩 | 聂相帆
