近年來(lái)，高能噴丸(shot peening，SP)、表面高速機(jī)械擠壓(high-speed surface extrusion，HSE)、超聲表面滾壓(ultrasonic surface rolling process，USRP)和激光沖擊(laser shocking processing，LSP)等表面沖擊強(qiáng)化技術(shù)在兩機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子抗疲勞制造領(lǐng)域的應(yīng)用研究廣泛深入地展開，顯現(xiàn)出積極的效果和廣闊的前景[12~14]。表面沖擊強(qiáng)化通過(guò)在金屬表層引入可觀的塑性變形和殘余壓應(yīng)力，誘導(dǎo)高密度位錯(cuò)、孿晶等表面微結(jié)構(gòu)的改變[15~17]，從而獲得具有顯著綜合強(qiáng)化效果的梯度硬化層，有望成為高強(qiáng)金屬材料有效的表面抗疲勞制造技術(shù)[16~21]。

然而，表面沖擊強(qiáng)化在金屬表面獲得的高殘余壓應(yīng)力硬化層[15]，仍以垂直表面向內(nèi)的沖擊形變強(qiáng)化為主[12,15,17]。硬化層在劇烈塑性變形(severe plastic deformation，SPD)時(shí)產(chǎn)生的高密度位錯(cuò)、晶格畸變和亞穩(wěn)界面，使表層獲得可觀殘余壓應(yīng)力、顯著強(qiáng)化效果的同時(shí)，也在表面引入了缺陷密度梯度分布的微結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)層[18]。而對(duì)高溫合金而言，600℃甚至以上的高溫條件下，硬化層中的亞穩(wěn)微結(jié)構(gòu)易發(fā)生回復(fù)和退化，導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力的松弛甚至消失。這直接影響高溫合金表面沖擊硬化層高溫強(qiáng)化作用的穩(wěn)定性，也一直是制約表面強(qiáng)化技術(shù)在高溫合金渦輪轉(zhuǎn)子表面強(qiáng)韌化、抗疲勞制造中深入應(yīng)用的瓶頸性問(wèn)題[12,13]，長(zhǎng)期受到設(shè)計(jì)、制造和研究者的廣泛密切關(guān)注。

迄今為止，關(guān)于高溫合金表面沖擊強(qiáng)化的諸多實(shí)際應(yīng)用和研究報(bào)道中，表面硬化層高密度亞結(jié)構(gòu)的回復(fù)推遲、殘余壓應(yīng)力可保留的機(jī)理尚不明確。本文歸納了鎳基高溫合金表面沖擊強(qiáng)化技術(shù)及應(yīng)用的研究進(jìn)展，在分析不同表面沖擊強(qiáng)化技術(shù)提升鎳基高溫合金表面強(qiáng)韌性及抗疲勞作用規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來(lái)本課題組的研究結(jié)果，探究了高溫合金表面硬化層在高溫下的顯微組織、微結(jié)構(gòu)演化機(jī)理。分析高溫下維持表面強(qiáng)化作用的關(guān)鍵機(jī)制，展望鎳基高溫合金新型表面沖擊強(qiáng)化技術(shù)和抗疲勞調(diào)控機(jī)制的未來(lái)發(fā)展方向，以期為具有更高承溫能力的鎳基高溫合金關(guān)鍵渦輪轉(zhuǎn)子強(qiáng)韌化與抗疲勞制造提供思路和參考。

渦輪動(dòng)力系統(tǒng)的高溫合金關(guān)鍵熱端部件，裝機(jī)前需經(jīng)多道次復(fù)雜機(jī)械加工，構(gòu)件表面完整性易被破壞，表面粗糙度增大。加之機(jī)械加工難以避免在表層引起殘余拉應(yīng)力等，從而劣化了高溫合金的高溫疲勞性能[22]。尤其對(duì)于渦輪轉(zhuǎn)子，其在長(zhǎng)期服役過(guò)程中的高溫抗疲勞性能，更是動(dòng)力系統(tǒng)服役安全的關(guān)鍵[23,24]。因此，諸多金屬材料的表面強(qiáng)化技術(shù)在高溫合金轉(zhuǎn)子構(gòu)件的抗疲勞制造領(lǐng)域倍受關(guān)注[23~25]。表面噴丸處理，作為便于實(shí)施、低成本和沖擊能量輸入可準(zhǔn)確調(diào)控的表面處理技術(shù)，較早被用于高溫合金的表面強(qiáng)化[26,27]。噴丸處理采用硬質(zhì)鋼丸、鑄鐵丸、陶瓷丸等轟擊工件表面，在表層引入殘余壓應(yīng)力，可有效抵消機(jī)械加工的表面殘余拉應(yīng)力，提高材料的抗疲勞能力[28~31]。噴丸處理對(duì)高溫合金構(gòu)件的影響主要有：硬化層殘余應(yīng)力分布狀態(tài)、表面形態(tài)和疲勞裂紋萌生阻力等[13,28]。

高溫合金表面噴丸強(qiáng)化的研究[29~31]表明，噴丸處理可明顯改變機(jī)械加工的殘留表面拉應(yīng)力，在合金表面引入了較為理想的殘余壓應(yīng)力層，這對(duì)高溫疲勞抗力要求很高的高溫合金渦輪轉(zhuǎn)子，無(wú)疑具有高的實(shí)用價(jià)值。鐘麗瓊等[28]的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)FGH97合金進(jìn)行陶瓷彈丸90°噴射4 min處理后，次表層(距表面幾十微米)處獲得了較高的殘余壓應(yīng)力，應(yīng)力場(chǎng)深度可達(dá)280 μm左右。Wang等[30]對(duì)FGH96合金進(jìn)行了車削、陶瓷噴丸和復(fù)合噴丸(高強(qiáng)鑄鐵彈丸和低強(qiáng)陶瓷彈丸)殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)噴丸處理明顯增加了表層殘余壓應(yīng)力，并且應(yīng)力最高值、深度均隨噴丸強(qiáng)度的增加而增大(圖1[30])。在鑄造高溫合金、變形高溫合金的相關(guān)研究中也獲得了相似的效果。K4169鑄造高溫合金噴丸處理后表面殘余壓應(yīng)力由258 MPa增加至1079 MPa，進(jìn)而顯著提高了合金的疲勞壽命[32]。

噴丸處理過(guò)程中，高溫合金表面產(chǎn)生了理想殘余壓應(yīng)力的同時(shí)，顯微組織亦發(fā)生了顯著變化。Zhao等[33]對(duì)GH4169合金噴丸強(qiáng)化的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)噴丸強(qiáng)化后合金表面形成厚度約96 μm的硬化層，而且表面形成平均尺寸約為9 nm的等軸納米晶(圖2[33])。在一定深度范圍內(nèi)還形成高密度形變孿晶，進(jìn)一步細(xì)化了硬化層合金的顯微組織，提高了合金的高溫疲勞抗力。在IN718合金的研究[34]中發(fā)現(xiàn)，超聲噴丸處理也可獲得厚度約為90 μm、平均晶粒尺寸約為12 nm的表面納米晶層，有效地提高了合金的高溫疲勞抗力。噴丸處理中，高溫合金表面產(chǎn)生顯著塑性變形，必然引起位錯(cuò)密度增加，并在晶界處形成大量的位錯(cuò)塞積與纏結(jié)，這是噴丸處理獲得表面硬化層的根本原因。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，噴丸處理硬化層的硬化程度呈梯度分布、總深度有限。Dong等[35]對(duì)Udimet 720Li合金噴丸硬化層的研究發(fā)現(xiàn)，噴丸后合金表面顯微硬度由440 HV增至590 HV，但在距離表面50 μm處即開始迅速下降。在鑄造高溫合金的噴丸處理研究中也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律，噴丸處理后的K4169[32]、K403[36]鑄造合金表面形成深度為100~140 μm的表面硬化層，表層均具有較好的硬化效果。

雖然噴丸處理可在高溫合金表面形成具有顯著殘余壓應(yīng)力的硬化層，但其對(duì)構(gòu)件機(jī)械加工表面粗糙度的影響規(guī)律并不一致，改善作用有限[30,32,36]。大部分關(guān)于高溫合金表面噴丸處理的研究[13,36]均表明，表面粗糙度隨噴丸強(qiáng)度的升高而增大。圖3[13]為GH4169合金經(jīng)不同強(qiáng)度噴丸處理后的表面形貌。可見，隨噴丸強(qiáng)度的增加，材料表面粗糙度明顯增大。而Wang等[30]的研究表明，噴丸處理后，F(xiàn)GH96合金表面的車削加工痕跡可完全(或大部分)被彈丸沖擊彈坑所覆蓋，但噴丸后表面粗糙度卻有明顯升高之趨勢(shì)。Shen等[36]對(duì)K403鑄造高溫合金進(jìn)行超聲噴丸處理，發(fā)現(xiàn)超聲噴丸對(duì)合金的表面粗糙度無(wú)明顯影響。

高溫、循環(huán)載荷作用下，高溫合金噴丸硬化層內(nèi)的高密度缺陷和亞穩(wěn)微結(jié)構(gòu)，可阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高微觀塑性變形抗力，增加裂紋萌生阻力，進(jìn)而提高噴丸處理合金的疲勞裂紋萌生臨界應(yīng)力值和疲勞強(qiáng)度[33]。Dong等[35]的研究表明，由于噴丸處理形成的硬化層殘余壓應(yīng)力和高密度位錯(cuò)纏結(jié)，表面裂紋萌生抗力增加，噴丸后合金的疲勞裂紋萌生位置從表層轉(zhuǎn)移到內(nèi)部(圖4[35])。而在其他條件相同的情況下，疲勞裂紋由內(nèi)部萌生所需的能量遠(yuǎn)高于由表面萌生的能量，因此可顯著提高材料的疲勞壽命[37,38]。

亦有研究表明，高溫合金噴丸處理的抗疲勞強(qiáng)化作用與應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力幅值均有關(guān)。Dong等[35]對(duì)Udimet 720Li合金的研究發(fā)現(xiàn)，與未噴丸合金相比，噴丸處理后合金的缺口低周疲勞壽命顯著提高，其在1390和1070 MPa應(yīng)力幅下的增幅分別為2.05倍和6.07倍。由此可見，噴丸處理在低應(yīng)力水平下對(duì)提高疲勞壽命的作用更加顯著。此外，應(yīng)力狀態(tài)還影響噴丸硬化層的殘余應(yīng)力松弛程度。高玉魁等[31]對(duì)FGH97合金噴丸前后的不同應(yīng)力狀態(tài)疲勞壽命進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在630 MPa的低應(yīng)力狀態(tài)下，噴丸硬化層的殘余壓應(yīng)力可有效延緩表面裂紋萌生，提高合金的疲勞壽命。而在740 MPa高應(yīng)力狀態(tài)下硬化層的殘余壓應(yīng)力作用減弱，抗疲勞作用并不明顯。Luo和Bowen[38]對(duì)Udimet 720Li合金的研究也證實(shí)了600℃高溫條件下，在較低的應(yīng)力幅范圍內(nèi)，噴丸處理可提高合金的疲勞壽命；而當(dāng)處于高應(yīng)力幅時(shí)，噴丸處理反而降低了合金的疲勞壽命。

同時(shí)應(yīng)注意到，高溫合金噴丸處理的抗疲勞作用亦與噴丸強(qiáng)度有關(guān)。過(guò)高的噴丸強(qiáng)度反而會(huì)降低抗疲勞的功效[28]。主要是由于過(guò)高強(qiáng)度的噴丸處理，會(huì)在材料內(nèi)局部引入殘余拉應(yīng)力，明顯降低合金的疲勞抗力。Qin等[13]對(duì)GH4169合金進(jìn)行不同強(qiáng)度的噴丸處理，發(fā)現(xiàn)局部的殘余應(yīng)力狀態(tài)波動(dòng)，增大了裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)起伏，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率增加，降低了噴丸處理合金的疲勞抗力(圖5[13])。

綜上，高溫合金噴丸處理表面硬化層的殘余壓應(yīng)力、強(qiáng)化效果和表面粗糙度，均隨噴丸強(qiáng)度的提高而增加。其中殘余壓應(yīng)力與表面強(qiáng)化可顯著改善合金疲勞性能，而表面粗糙度多不利于高溫合金疲勞壽命。Wu等[39]和Klotz等[34]對(duì)Inconel 718合金的研究也表明，噴丸處理后，表面殘余壓應(yīng)力與表面粗糙度2者對(duì)抗疲勞的作用不同。在低周疲勞條件下，表面粗糙度為影響疲勞壽命的主要因素；而高周疲勞條件下，殘余壓應(yīng)力的分布狀態(tài)則為提高疲勞壽命的主要影響因素。

高溫合金的表面強(qiáng)化還包括復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位的機(jī)械擠壓強(qiáng)化[40~42]。機(jī)械擠壓強(qiáng)化方式根據(jù)強(qiáng)化部位形狀、工藝要求不同，一般包括孔擠壓強(qiáng)化和表面機(jī)械滾壓強(qiáng)化。由于渦輪轉(zhuǎn)子熱端部件的連接孔處應(yīng)力集中明顯，孔周圍易產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞損傷，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件孔周圍通常進(jìn)行孔擠壓強(qiáng)化。而對(duì)于平面或相對(duì)平緩曲面，多采取表面機(jī)械滾壓方式進(jìn)行強(qiáng)化處理。機(jī)械擠壓處理可有效改善高溫合金的表面狀態(tài)，機(jī)械擠壓硬化層內(nèi)的殘余壓應(yīng)力增加、組織細(xì)化和均勻化、高密度位錯(cuò)纏結(jié)和表面粗糙度的降低，可顯著提高合金的高溫強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度極限。

王欣等[42]的研究表明，孔擠壓處理可顯著改善GH4169轉(zhuǎn)動(dòng)部件孔內(nèi)鉸削刀痕引起的粗糙度突變，擠壓后孔壁達(dá)到鏡面，表面粗糙度Ra由1.083 μm降至0.237 μm。羅學(xué)昆等[43]對(duì)不同過(guò)盈量孔擠壓處理的IN718合金研究結(jié)果顯示，孔擠壓顯著改善了孔壁表面完整性。低過(guò)盈量擠壓的孔壁表面粗糙度Ra由原始的0.855 μm降至0.306 μm；高過(guò)盈量試樣的粗糙度Ra降至0.296 μm。可見，與噴丸處理對(duì)表面粗糙度影響不同，擠壓處理普遍降低高溫合金的孔壁表面粗糙度，有利于降低孔壁的表面微觀應(yīng)力集中效應(yīng)，從而使高溫合金構(gòu)件獲得理想的表面強(qiáng)化效果[43,44]。

Yin等[45]對(duì)Inconel 690合金表面的超聲滾壓處理研究表明，經(jīng)表面超聲滾壓后，表層塑性變形引起位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生加工硬化效應(yīng)，硬化層硬度提高幅度達(dá)到44.45%。孫智妍等[46]研究發(fā)現(xiàn)，電脈沖的輔助可顯著增加GH4169合金表面超聲滾壓硬化層深度與強(qiáng)化效果。而且，電脈沖輔助超聲滾壓(電脈沖/超聲滾壓耦合場(chǎng)強(qiáng)化)能夠突破傳統(tǒng)超聲滾壓處理的變形臨界極限，獲得更細(xì)的晶粒、更深的硬化層。

機(jī)械擠壓強(qiáng)化可在高溫合金表面獲得比噴丸處理更顯著的殘余壓應(yīng)力層。Yin等[45]研究了表面超聲滾壓處理Inconel 690合金硬化層的殘余壓應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲滾壓處理后表面形成明顯的殘余壓應(yīng)力層，壓應(yīng)力提高幅度達(dá)到33.5%，層深約達(dá)400 μm。對(duì)孔擠壓處理IN718合金的研究[43]也表明，擠壓強(qiáng)化后甚至可在孔壁形成超過(guò)3000 μm的殘余壓應(yīng)力層(圖6[43])，這對(duì)于合金的表面強(qiáng)化和抗疲勞作用無(wú)疑具有積極的作用。

激光表面沖擊強(qiáng)化，是利用高能激光誘導(dǎo)的沖擊波在金屬表面引入高速塑性變形的強(qiáng)化技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于高溫合金、高強(qiáng)鋼、鈦合金和鋁合金等關(guān)鍵構(gòu)件的抗疲勞制造[15,16]。與傳統(tǒng)表面強(qiáng)化處理方式相比，LSP處理更適合型面復(fù)雜結(jié)構(gòu)、大型構(gòu)件的在線處理[12]。LSP處理能夠在金屬表層引入可觀的殘余壓應(yīng)力和塑性變形，誘導(dǎo)高密度位錯(cuò)、孿晶等，顯著改變表面微結(jié)構(gòu)[17,47]，獲得顯著的硬化層，成為目前最有效的高強(qiáng)金屬材料表面抗疲勞制造技術(shù)。

Tan等[48]對(duì)拋光的FGH96合金LSP處理的研究表明，表面激光沖擊波作用后，合金拋光劃痕減少，表面粗糙度略有增大，但增加幅度甚微(圖7[48])。與傳統(tǒng)的噴丸、機(jī)械擠壓強(qiáng)化不同，由于LSP處理過(guò)程中，高能沖擊波與合金表面為非直接接觸，可顯著減緩表面強(qiáng)烈塑性變形引起的粗糙度增大。

Rozmus-Górnikowska等[49]對(duì)Inconel 625合金LSP處理的研究發(fā)現(xiàn)，LSP處理后合金表面形成較大塑性變形，產(chǎn)生高密度位錯(cuò)和密集分布的滑移帶，表面形成呈梯度分布的沖擊硬化層。Cao等[50]關(guān)于GH4586合金LSP處理的研究表明，LSP表面硬化層的位錯(cuò)密度顯著增加，形成高密度纏結(jié)位錯(cuò)、位錯(cuò)壁和位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)，LSP處理后合金的疲勞壽命增加了近1倍。而且，LSP硬化層表面的平均晶粒尺寸降低約43.6%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)基體中形變孿晶數(shù)量亦明顯增多，使GH4586合金LSP硬化層表面獲得了明顯的協(xié)同強(qiáng)化作用，硬度提高幅度達(dá)到27.4%。值得關(guān)注的是，經(jīng)LSP處理的GH4586合金表層γ?相中也觀察到大量的層錯(cuò)以及高密度位錯(cuò)，這在傳統(tǒng)機(jī)械作用表面處理的高溫合金硬化層中未見報(bào)道。LSP處理后，GH4586合金硬化層中不同尺度、高密度微結(jié)構(gòu)的形成與細(xì)化，有效抑制了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，顯著提高了合金的疲勞抗力。Luo等[51]對(duì)K417合金進(jìn)行LSP處理的研究發(fā)現(xiàn)，激光沖擊引入劇烈塑性變形，在合金表面產(chǎn)生更高密度的位錯(cuò)纏結(jié)，硬化層表面形成納米晶，使表層硬度明顯增加。此外，LSP處理后進(jìn)行900℃、10 h的保溫，K417合金硬化層中高密度位錯(cuò)、晶粒細(xì)化等微結(jié)構(gòu)特征并未見顯著變化，強(qiáng)化效果表現(xiàn)出了較好的高溫穩(wěn)定性，這主要與LSP硬化層的高密度位錯(cuò)與納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)有關(guān)。

研究者們[12,13,19]對(duì)如何在高溫合金表面獲得高溫穩(wěn)定的抗疲勞硬化層進(jìn)行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)引入溫度場(chǎng)的溫度輔助耦合激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)(warm laser shocking processing，WLSP)，可獲得高溫強(qiáng)化增幅更顯著的抗疲勞硬化層。本課題組[19,52]對(duì)比研究了LSP和WLSP處理IN718合金的表面硬化層微結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)WLSP作用下能夠在高溫合金表面獲得強(qiáng)化相/高密度位錯(cuò)復(fù)合微結(jié)構(gòu)(圖8[52])。而且，值得關(guān)注的是，IN718合金WLSP硬化層中的γ′′相內(nèi)部觀察到高密度層錯(cuò)及納米尺寸孿晶(圖8b[52]中藍(lán)色箭頭所示)。硬化層中有序強(qiáng)化相內(nèi)部納米尺度微結(jié)構(gòu)的形成和細(xì)化，顯著提高了硬化層的強(qiáng)化效果和高溫穩(wěn)定性。

與傳統(tǒng)的常規(guī)噴丸、機(jī)械擠壓處理相比，LSP硬化層最大殘余壓應(yīng)力影響深度超過(guò)了3倍，約達(dá)700 μm[48]。因此，LSP處理更深的殘余壓應(yīng)力層可更加顯著地阻礙疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，更有效地提高合金的疲勞強(qiáng)度極限、延長(zhǎng)疲勞壽命。Pan等[53]關(guān)于帶孔的ЭΠ741ΠН合金LSP處理的研究表明，LSP處理可在孔附近圓環(huán)區(qū)域引入深度約為750 μm、最大殘余壓應(yīng)力超過(guò)650 MPa的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)。研究認(rèn)為，高于傳統(tǒng)機(jī)械表面強(qiáng)化處理硬化層的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，與表層微結(jié)構(gòu)的顯著細(xì)化協(xié)同作用提高了合金LSP硬化層的疲勞極限。

LSP處理GH4586合金表面沿單沖擊點(diǎn)直徑方向分布的殘余應(yīng)力研究[50]顯示，最大殘余應(yīng)力位于距激光光斑中心約1 mm半徑的位置(圖9[50])，而且沿深度方向呈降低趨勢(shì)。光斑中心附近的殘余壓應(yīng)力相對(duì)有所降低，這種現(xiàn)象被稱為“殘余應(yīng)力孔”，其主要取決于激光沖擊波在合金表面的作用特征。

本課題組[19,50]對(duì)LSP和WLSP處理IN718合金的硬化層殘余應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)WLSP硬化層中形成的納米尺度的強(qiáng)化相/高密度位錯(cuò)復(fù)合微結(jié)構(gòu)，在合金表層產(chǎn)生了更高的殘余壓應(yīng)力。因此，IN718合金的WLSP硬化層表現(xiàn)出更明顯的高溫強(qiáng)化和抗疲勞作用。而且，即使在高溫長(zhǎng)期時(shí)效條件下合金表面硬化層殘余壓應(yīng)力有所松弛，相比于LSP硬化層，WLSP硬化層的殘余壓應(yīng)力僅小幅降低，具有更好的高溫穩(wěn)定性，在高溫強(qiáng)化、抗疲勞方面均更突顯優(yōu)勢(shì)。

高溫合金表面噴丸、機(jī)械擠壓處理硬化層的形成，主要是表面機(jī)械沖擊過(guò)程中基體劇烈塑性變形的結(jié)果[32~34,54~59]，塑性變形程度及影響層深度與彈丸、機(jī)械沖擊的能量輸入直接相關(guān)。孔擠壓強(qiáng)化IN718合金孔內(nèi)壁表面160 μm深度范圍內(nèi)可觀察到明顯的旋轉(zhuǎn)塑性變形，越靠近內(nèi)壁表面，變形程度越大[60]。RR1000合金經(jīng)過(guò)噴丸處理后，表面硬化層劇烈塑性變形的晶粒比例明顯增加，形成大量亞結(jié)構(gòu)[61]。FGH96合金[30]、FGH97合金[28]經(jīng)噴丸處理后，硬化層小角晶界比例顯著增加。隨表面噴丸或機(jī)械沖擊能量輸入的增加，高溫合金硬化層表面發(fā)生了明顯的晶粒細(xì)化。對(duì)K417合金的噴丸硬化層進(jìn)行后處理，亦可形成較大深度范圍的細(xì)晶硬化層，有效抑制表面疲勞裂紋的萌生[62]。

表面機(jī)械變形層中變形孿晶的產(chǎn)生與高溫合金的層錯(cuò)能有關(guān)，層錯(cuò)能越低位錯(cuò)的交滑移受到的阻礙程度越大，變形機(jī)制越趨向于孿生[45]。Zhao等[33]研究GH4169合金的超聲噴丸硬化層發(fā)現(xiàn)，表面劇烈塑性變形產(chǎn)生的位錯(cuò)密度足夠高時(shí)，位錯(cuò)湮滅、重組現(xiàn)象顯著，形成位錯(cuò)胞。隨超聲噴丸應(yīng)變量和應(yīng)變速率進(jìn)一步增加，形變孿生機(jī)制被激發(fā)，基體中形成高密度形變孿晶。而且，表面硬化層形成的形變孿晶，與高密度缺陷、納米晶等微結(jié)構(gòu)特征相比，在高溫下穩(wěn)定性更高，具有提高高溫合金表面硬化層高溫穩(wěn)定性之功效。

與傳統(tǒng)表面噴丸、機(jī)械沖擊/擠壓強(qiáng)化處理不同，LSP處理是源于高能量密度(109 W/cm2量級(jí))、短脈沖寬度(10~30 ns量級(jí))的強(qiáng)激光誘發(fā)等離子體與合金表面的劇烈相互作用。因此，LSP處理可獲得比傳統(tǒng)表面噴丸、機(jī)械沖擊/擠壓強(qiáng)化更加顯著的表層強(qiáng)化程度和層深度[50~53,61~65]。

LSP處理后高溫合金表層中結(jié)構(gòu)細(xì)化，晶界和孿晶界數(shù)量增多。Cao等[50]研究了GH4586合金LSP處理后硬化層微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，LSP處理使合金表層晶粒明顯細(xì)化、孿晶數(shù)量增加，同時(shí)LSP硬化層的晶界比例明顯提高(圖10[50])。在K417合金的LSP硬化層中，觀察到在強(qiáng)激光沖擊作用下表層產(chǎn)生了高密度缺陷和晶粒尺寸為20~200 nm的納米晶。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，納米晶在垂直激光沖擊波方向被明顯拉長(zhǎng)，隨著離表面深度的增加，激光沖擊壓力減弱，不足以形成納米晶，微結(jié)構(gòu)特征以高密度位錯(cuò)纏結(jié)為主。

調(diào)整LSP處理參數(shù)可在高溫合金表面硬化層形成不同的組織結(jié)構(gòu)。Yu等[64]對(duì)GH4169合金利用高能LSP、低能LSP和飛秒LSP處理調(diào)控硬化層微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)飛秒LSP硬化層深度基本小于100 μm，而低能LSP處理后，合金硬化層深度增加，表面可誘導(dǎo)形成高密度亞結(jié)構(gòu)。但由于能量輸入較低，低能LSP處理僅在距表面約100 μm范圍內(nèi)形成了致密的亞結(jié)構(gòu)，在100 μm以下的區(qū)域，主要以位錯(cuò)的增殖或纏結(jié)為主，而未發(fā)現(xiàn)致密亞結(jié)構(gòu)層。當(dāng)提高輸入能量時(shí)，高能LSP處理的劇烈變形影響層深可達(dá)幾百微米甚至幾毫米，層深1400~1600 μm時(shí)，仍可觀察到致密亞結(jié)構(gòu)。

LSP處理除誘發(fā)高溫合金表面塑性變形層中更高的基體位錯(cuò)密度，明顯降低晶粒尺寸，進(jìn)而形成納米晶外，更重要的是能夠誘導(dǎo)合金中共格有序強(qiáng)化相的微結(jié)構(gòu)改變。Geng等[65]研究某鎳基單晶高溫合金LSP硬化層發(fā)現(xiàn)，LSP處理后合金中產(chǎn)生了高密度的復(fù)雜位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，且分布不均勻，大量位錯(cuò)在γ基體以及γ/γ′界面形成位錯(cuò)纏結(jié)和復(fù)雜位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，γ相中高密度塞積的位錯(cuò)切入γ'相形成滑移帶，在γ′相內(nèi)部還出現(xiàn)了短位錯(cuò)線和位錯(cuò)環(huán)(圖11[65])，形成硬化層中包含有序強(qiáng)化相的高密度位錯(cuò)復(fù)合結(jié)構(gòu)。

Cao等[50]研究GH4586合金LSP硬化層微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，LSP處理后合金中γ′相周圍形成大量的位錯(cuò)纏結(jié)，γ′相結(jié)構(gòu)、形態(tài)和尺寸并未發(fā)生顯著變化。而γ′相內(nèi)部產(chǎn)生了高密度的層錯(cuò)(圖10[50])。可見，與常規(guī)噴丸、表面機(jī)械沖擊/擠壓處理對(duì)比，LSP處理的優(yōu)勢(shì)在于，可以在較低的應(yīng)變量下產(chǎn)生更高密度的位錯(cuò)纏結(jié)和強(qiáng)化相內(nèi)部的特殊亞結(jié)構(gòu)。

近年來(lái)，WLSP技術(shù)越來(lái)越受到高溫合金、超高強(qiáng)鋼表面強(qiáng)化領(lǐng)域的關(guān)注。由于在強(qiáng)激光脈沖沖擊過(guò)程中，輔助溫度場(chǎng)耦合更易于在含有沉淀強(qiáng)化相的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料表面誘導(dǎo)形成特殊微結(jié)構(gòu)。本課題組[19]對(duì)IN718合金LSP和WLSP硬化層微結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，2種處理后IN718合金均形成了明顯的表面硬化層，與未處理狀態(tài)相比，LSP和WLSP處理后合金表面硬度分別提高了14.562%和22.689%，WLSP處理獲得了硬度更高、更深的表面硬化層(圖12[19])。

在WLSP處理IN718合金表面硬化層中，觀察到γ″相/高密度位錯(cuò)復(fù)合微結(jié)構(gòu)。這種特殊微結(jié)構(gòu)尺寸較均勻，以γ″相為內(nèi)核，彌散狀分布在γ基體上(圖13[19])。結(jié)合此位置γ″相暗場(chǎng)像可發(fā)現(xiàn)：在γ″相上存在大量的納米尺寸微孿晶，微孿晶的孿晶界面方向基本平行，且與γ″相的長(zhǎng)軸方向具有較明顯的取向關(guān)系。微孿晶主要分布在γ/γ″相界面附近，孿晶一側(cè)貫穿γ″相，另一側(cè)終止于γ″相旁的γ基體中的高密度位錯(cuò)纏結(jié)區(qū)(圖13c[19]中藍(lán)色箭頭所示)。形成了WLSP處理的IN718合金中“內(nèi)含微孿晶的γ″相/高密度位錯(cuò)復(fù)合體”這一特殊結(jié)構(gòu)。

深入研究WLSP處理IN718合金硬化層的這種特殊微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，WLSP處理后γ″相周圍形成了高密度的原子尺度微區(qū)壓向相對(duì)應(yīng)變集中，同時(shí)γ″相內(nèi)部形成了微區(qū)應(yīng)變[52] (圖14[52])。而且，層錯(cuò)、微孿晶處微區(qū)應(yīng)變明顯加劇。在微孿晶貫穿γ″/γ相界面并延伸至γ基體的位置，界面兩側(cè)垂直延伸方向均發(fā)生拉向/壓向微區(qū)應(yīng)變的起伏(圖14b和c[52])。同時(shí)，在γ″/γ相界面的γ相一側(cè)，微區(qū)應(yīng)變的集中也較明顯。γ″相內(nèi)部可見層錯(cuò)、微孿晶的交錯(cuò)，而且層錯(cuò)、微孿晶中的微區(qū)壓向應(yīng)變明顯高于其他位置(圖14e和f [52])。

WLSP處理IN718合金硬化層中這種特殊結(jié)構(gòu)貫穿γ″/γ相界面，其改變了γ″/γ相界面形態(tài)，使得γ″相內(nèi)部及其周圍應(yīng)變分布的復(fù)雜程度提高。這種特殊結(jié)構(gòu)勢(shì)必阻礙高溫服役下位錯(cuò)反應(yīng)和位錯(cuò)回復(fù)。同時(shí)，高溫下這些高密度位錯(cuò)包裹、內(nèi)含微孿晶的γ″相，其長(zhǎng)大以及γ″→δ相轉(zhuǎn)變的復(fù)雜程度均將加劇。

綜上，高溫合金表面LSP和WLSP硬化層的強(qiáng)化本質(zhì)，除劇烈塑性變形在基體中引入的高密度缺陷及亞結(jié)構(gòu)和大量形變孿晶外，還包括在γ'、γ″主要相內(nèi)部誘導(dǎo)形成大量層錯(cuò)、微孿晶等特殊微結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)噴丸處理和表面機(jī)械沖擊/擠壓強(qiáng)化相比，LSP和WLSP處理合金表面硬化增量更顯著、硬化層更深，并且形成了穩(wěn)定強(qiáng)化相/高密度位錯(cuò)復(fù)合結(jié)構(gòu)和劇烈塑性變形亞結(jié)構(gòu)，有利于提高高溫合金的表面強(qiáng)化和抗疲勞能力。那么，如能利用耦合場(chǎng)在硬化層引入更多微納尺度“異質(zhì)結(jié)構(gòu)(heterostructure)”[66~68]、“化學(xué)界面工程(chemical boundary engineering)”[69,70]等強(qiáng)化因素，有望在高溫合金表面處理過(guò)程中收獲更顯著的強(qiáng)韌化效果。

高溫合金表面形成的顯著硬化層和殘余壓應(yīng)力，均與基體中高密度位錯(cuò)及亞結(jié)構(gòu)的形成和分布密不可分[71~80]。但在高溫下，空位、位錯(cuò)等缺陷均會(huì)發(fā)生回復(fù)和強(qiáng)烈的相互作用，服役溫度越高缺陷演化越劇烈，導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力不同程度的松弛甚至消失。

王欣等[42]對(duì)比研究了孔擠壓GH4169合金在400和600℃條件下抗疲勞強(qiáng)化的高溫穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)，即使孔擠壓合金獲得了明顯的強(qiáng)化；但高溫下，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)激活能降低、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)能力增加，殘余壓應(yīng)力易發(fā)生應(yīng)力松弛，硬化層的疲勞抗力降低；當(dāng)溫度提高到600℃時(shí)，基體高密度位錯(cuò)的強(qiáng)化作用下降更加明顯。

激光沖擊高溫合金硬化層中基體的高密度位錯(cuò)及亞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化貢獻(xiàn)占比亦不容忽視。在本課題組[52]關(guān)于IN718合金表面LSP和WLSP硬化層高溫穩(wěn)定性的研究中發(fā)現(xiàn)，650℃長(zhǎng)期時(shí)效后，LSP硬化層中基體位錯(cuò)密度顯著降低，缺陷回復(fù)明顯，導(dǎo)致硬化層表面硬度和硬化層深度均下降較為明顯(圖15[52])。

基體中高密度位錯(cuò)缺陷在高溫下的快速演化，在經(jīng)表面機(jī)械沖擊/擠壓、LSP和WLSP硬化層中普遍發(fā)生。機(jī)械沖擊/擠壓處理的高溫合金硬化層，由于表面強(qiáng)化的主要微結(jié)構(gòu)為高密度缺陷，高溫下這些缺陷的減少，導(dǎo)致硬化層穩(wěn)定性降低、強(qiáng)化作用退減。

超細(xì)晶(納米晶)層并非高溫合金表面硬化層的普遍性微結(jié)構(gòu)特征，多出現(xiàn)在高能機(jī)械沖擊/擠壓疊加硬化層和LSP硬化層表面，其分布深度也僅約100 μm。高溫時(shí)效中，表面晶粒長(zhǎng)大迅速，硬化層穩(wěn)定性降低。而高溫合金表面硬化層的形變孿晶比納米晶更為常見，且生成深度達(dá)200~500 μm，是高能機(jī)械沖擊/擠壓處理高溫合金硬化層的典型微結(jié)構(gòu)特征。Zhao等[33]研究GH4169合金超聲噴丸硬化層形變孿晶高溫穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，350℃保溫后硬化層形變孿晶無(wú)明顯改變；當(dāng)溫度升高至650℃時(shí)，孿晶間距明顯加寬，導(dǎo)致硬化層的硬度降低。

研究[65,81~93]發(fā)現(xiàn)，與機(jī)械沖擊/擠壓硬化層相比，LSP和WLSP處理硬化層在高溫長(zhǎng)期時(shí)效后的抵抗疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展方面更具優(yōu)勢(shì)。Buchanan等[82]對(duì)比研究了IN100合金的噴丸處理、LSP處理硬化層的高溫應(yīng)力松弛，發(fā)現(xiàn)650℃、100 h時(shí)效后，噴丸硬化層最大殘余壓應(yīng)力下降約800 MPa，而LSP處理的僅下降200 MPa (圖16[82])。可見，LSP處理除使表面強(qiáng)化幅度和硬化層深度明顯增加外，硬化層高溫服役的穩(wěn)定性也更佳。Lu等[83]研究GH4169合金WLSP硬化層的高溫長(zhǎng)期時(shí)效組織、性能穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，WLSP硬化層的殘余應(yīng)力降低幅度明顯小于LSP硬化層。而且，600℃的時(shí)效未觀察到表面殘余壓應(yīng)力的顯著改變。但當(dāng)時(shí)效溫度升高至650℃時(shí)，LSP硬化層的殘余壓應(yīng)力幾乎完全釋放，而WLSP處理的殘余壓應(yīng)力僅降低約8%。當(dāng)時(shí)效溫度增加到700℃時(shí)，WLSP硬化層的殘余應(yīng)力在時(shí)效100 h后仍可保持在原來(lái)的50%左右，表現(xiàn)出極高的高溫穩(wěn)定性。

本課題組[81]對(duì)長(zhǎng)期時(shí)效后LSP和WLSP處理IN718合金的硬化層硬度進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)600和650℃時(shí)效200 h后，LSP和WLSP硬化層硬度、深度均有所降低。但經(jīng)過(guò)650℃及以下溫度長(zhǎng)期時(shí)效后，WLSP處理的IN718合金表面硬化層硬度、深度的降低幅度均小于LSP處理(圖17[81])。尤其是，WLSP處理合金經(jīng)650℃、200 h長(zhǎng)期時(shí)效后表面硬度增量的下降幅度僅為40.79%，而相同時(shí)效條件下LSP處理合金表面硬度增量的下降幅度達(dá)71.69%。680℃、200 h時(shí)效后，LSP處理合金的表面硬化現(xiàn)象幾乎完全消失，而此時(shí)WLSP處理合金表面硬度仍保持一定的增量。研究[81]還發(fā)現(xiàn)，表面硬化層的強(qiáng)化增量主要來(lái)源于LSP和WLSP處理后合金中的高密度位錯(cuò)增殖和塞積(圖18[81])。尤其對(duì)于WLSP硬化層而言，更顯著的強(qiáng)化作用主要來(lái)源于硬化層γ″相/高密度位錯(cuò)復(fù)合微結(jié)構(gòu)。同樣，WLSP硬化層的強(qiáng)化現(xiàn)象在600℃以上長(zhǎng)期時(shí)效后仍得以保持，也主要取決于WLSP處理誘發(fā)的高密度位錯(cuò)和特殊亞結(jié)構(gòu)。

本課題組[54]在研究長(zhǎng)期時(shí)效后LSP和WLSP處理IN718合金表面硬化層的幾何必需位錯(cuò)(geometrically necessary dislocation，GND)演化行為發(fā)現(xiàn)，WLSP硬化層的GND密度明顯高于LSP處理，升高幅度約為248.71% (圖19[52])。硬化層中GND密度的增加，除形成各向同性強(qiáng)化外，更重要的是可產(chǎn)生更加顯著、穩(wěn)定的背應(yīng)力強(qiáng)化。經(jīng)長(zhǎng)期時(shí)效處理后，LSP硬化層中的GND密度明顯降低，而WLSP硬化層的GND密度雖有降低，但降幅很小。而且長(zhǎng)期時(shí)效后，LSP處理合金GND密度統(tǒng)計(jì)分布的相對(duì)頻率峰位，向低位錯(cuò)密度方向發(fā)生了明顯的移動(dòng)，同時(shí)相對(duì)頻率峰值也呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。但WLSP硬化層在長(zhǎng)期時(shí)效后GND密度統(tǒng)計(jì)分布相對(duì)頻率的峰值、峰位、峰寬無(wú)明顯變化。這進(jìn)一步說(shuō)明，WLSP處理不僅僅使IN718合金獲得了更高的GND密度，而且GND密度的集中程度和分布位置變化并不明顯，WLSP處理合金均表現(xiàn)出了比LSP處理合金更顯著的高溫長(zhǎng)期服役穩(wěn)定性。

綜上，LSP和WLSP處理高溫合金硬化層微結(jié)構(gòu)方面的深入研究[94~96]發(fā)現(xiàn)，彌散分布的γ'、γ″相在劇烈塑性變形時(shí)形成的特殊微結(jié)構(gòu)，是LSP和WLSP硬化層區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械沖擊/擠壓強(qiáng)化，獲得優(yōu)異、穩(wěn)定強(qiáng)化效果的關(guān)鍵。而WLSP處理更突顯的高溫強(qiáng)化作用和高溫穩(wěn)定性，不僅與特殊微結(jié)構(gòu)、高的缺陷密度有關(guān)，更應(yīng)與“內(nèi)含層錯(cuò)、納米尺寸微孿晶的有序強(qiáng)化相/高密度位錯(cuò)復(fù)合體”這種復(fù)雜微結(jié)構(gòu)自身的高溫穩(wěn)定性直接相關(guān)[52,81]。在高溫合金表面硬化層中誘導(dǎo)和調(diào)控高密度特殊微結(jié)構(gòu)的形成和分布狀態(tài)，將是獲得合金穩(wěn)定高溫抗疲勞強(qiáng)化的核心。

本文基于先進(jìn)渦輪動(dòng)力系統(tǒng)用鎳基高溫合金的典型表面強(qiáng)化技術(shù)，以及強(qiáng)化作用高溫穩(wěn)定性的研究和應(yīng)用分析，就鎳基高溫合金表面沖擊強(qiáng)化總結(jié)與展望如下。

(1) 高溫合金的表面機(jī)械噴丸、擠壓/滾壓強(qiáng)化處理，均可產(chǎn)生明顯殘余壓應(yīng)力和硬化層，有效阻礙裂紋在表面萌生，從而提高高溫合金的疲勞抗力。但應(yīng)用中需注意控制噴丸處理造成的表面粗糙度增大、擠壓/滾壓處理的殘余壓應(yīng)力梯度調(diào)控以及表面機(jī)械強(qiáng)化超過(guò)500℃后的強(qiáng)化作用衰減。

(2) LSP和WLSP處理等表面高能沖擊強(qiáng)化技術(shù)具有不受構(gòu)件規(guī)格、形狀限制的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其強(qiáng)化增幅及層深均優(yōu)于機(jī)械表面強(qiáng)化處理，由此經(jīng)其處理的高溫合金顯示出更高的疲勞抗力。WLSP處理在高溫合金表面硬化層中形成的“有序強(qiáng)化相/高密度位錯(cuò)復(fù)合特殊微結(jié)構(gòu)”，進(jìn)一步提升了表面強(qiáng)化的作用效果。

(3) 硬化層微結(jié)構(gòu)的高溫、長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性，是高溫合金表面強(qiáng)化技術(shù)飛躍發(fā)展與深入應(yīng)用的關(guān)鍵。高溫合金表面劇烈塑性變形產(chǎn)生的基體微結(jié)構(gòu)中，高密度缺陷的高溫演化與回復(fù)顯著，不具備高溫穩(wěn)定能力。表面細(xì)晶(納米晶)層較淺，高溫下長(zhǎng)大傾向明顯，穩(wěn)定性亦不足。而形變孿生可在600℃以下保持一定的高溫穩(wěn)定性。耦合場(chǎng)高能強(qiáng)沖擊(LSP和WLSP等)處理在獲得上述基體微結(jié)構(gòu)的同時(shí)，誘導(dǎo)γ′、γ″相內(nèi)部形成內(nèi)含大量層錯(cuò)、微孿晶的“強(qiáng)化相/高密度位錯(cuò)復(fù)合特殊微結(jié)構(gòu)”，是使硬化層兼具強(qiáng)化作用、高溫穩(wěn)定性與長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性的關(guān)鍵特殊微結(jié)構(gòu)。

(4) WLSP處理在高溫合金表面沖擊強(qiáng)化作用高溫穩(wěn)定性方面所凸顯的優(yōu)勢(shì)，啟發(fā)人們應(yīng)關(guān)注硬化層不同尺度關(guān)鍵微結(jié)構(gòu)的綜合調(diào)控。如能利用高能沖擊耦合場(chǎng)將諸如“異質(zhì)結(jié)構(gòu)”、“化學(xué)界面工程”等微納尺度強(qiáng)韌化理念引入高溫合金的表面微結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，在硬化層精準(zhǔn)誘導(dǎo)“有序強(qiáng)化相/高密度位錯(cuò)特殊微結(jié)構(gòu)”的梯度分布，構(gòu)筑具有更高高溫強(qiáng)度與高溫穩(wěn)定性的表面硬化層，將有望開辟高溫合金表面強(qiáng)化相關(guān)研究的新方向。