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背景介紹

圖1鈦合金的典型分類、表面加工技術和應用

本文亮點

本文系統綜述了激光沖擊強化（LSP）在鈦合金表面改性領域的最新研究進展，首次從多場耦合角度對比分析了標準LSP與熱/低溫/電脈沖/磁場輔助LSP的工藝特性及其協同強化機制。重點闡明了鈦合金在LSP過程中典型的組織演化特征，總結了鈦合金的組織演變-工程性能-工藝參數之間的關系。針對當前LSP技術在復雜構件適應性加工、工藝參數精確調控等工程應用中的關鍵瓶頸問題，創新性地提出了智能便攜式LSP設備開發、先進的材料加工方法集成、基于微觀組織演變的數值模擬等未來發展方向，為突破鈦合金表面強化理論和技術瓶頸提供了重要指導。

圖文解析

LSP的過程創新設計

LSP是一種通過高能脈沖激光誘導等離子體沖擊波實現鈦合金表面改性的技術，其傳統工藝利用高能短脈沖激光束穿過透明約束層，照射金屬表面覆蓋的犧牲層，導致犧牲層瞬間汽化并電離形成高溫高壓等離子體。在透明約束層的限制作用下，等離子體膨脹受限并產生反向沖擊波，該沖擊波在材料內部傳播形成應力波，從而在表層引入梯度分布的壓縮殘余應力和顯著的晶粒細化效應。然而，傳統LSP的單一機械場作用在航空發動機葉片、航天器結構件等極端環境（高溫、交變載荷、腐蝕等）應用中存在明顯局限性，主要表現為：1) 高溫條件下（>300℃）位錯重排導致的應力松弛；2) 循環載荷作用下的殘余應力衰減。針對這些問題，近年來研究者開發了多物理場協同強化的創新LSP技術： 1. WLSP將熱-力耦合效應引入LSP，通過動態應變時效DSA調控微觀組織，結合熱激活與應變時效優勢，穩定材料性能；2.CLSP利用液氮環境實現低溫超高應變速率協同強化，抑制位錯滑移并促進納米孿晶和層錯形成，顯著提升鈦合金硬度和疲勞壽命；3. EPLSP隊通過脈沖電流引入電塑性效應，優化位錯運動，修復裂紋并改善織構，同時提升材料延展性；4. MFLSP利用脈沖磁場調控位錯動力學，通過磁場干預軌道自旋狀態（單重態→三重態），降低位錯-障礙物結合能，促進位錯脫釘和增殖，從而增強材料塑性變形能力。圖3給出了多種多場耦合LSP工藝示意圖。這些創新設計通過多物理場（熱、電、磁）的協同作用，克服了傳統LSP的局限性，實現了鈦合金表面性能的協同提升與穩定化，為極端環境應用提供了新思路。

圖2多場耦合LSP工藝示意圖。

鈦合金在LSP處理下的組織演變

鈦合金在高應變速率下的微觀組織演化行為是LSP工藝設計與優化的關鍵科學依據。作為典型的同素異構體材料，鈦合金不僅包含六方密排結構（α相）和體心立方結構（β相）兩種基本相，還存在α'相、α"相以及ω相等多種亞穩相。這些相結構因其晶體學特征的差異而表現出截然不同的塑性變形機制，包括位錯運動、形變孿生、應力誘發相變、晶粒細化以及表面非晶化等多種微觀響應形式。特別值得注意的是，LSP工藝特有的超高應變率（~10⁶/s）載荷條件會引發與準靜態變形顯著不同的微觀結構演化。表1系統歸納了LSP處理后鈦合金中觀察到的典型組織演變特征及其形成機制

表1 LSP處理后鈦合金的典型組織演變特征。

LSP處理的鈦合金的服役性能提升

鈦合金因其優異的耐腐蝕性、耐磨性和疲勞強度，在航空航天、化工和醫療等關鍵領域具有不可替代的應用價值。為進一步提升鈦合金的服役性能，特別是其表面硬度、耐磨性及疲勞壽命等關鍵指標，LSP技術憑借其獨特的表面強化機制和深層CRS，已成為鈦合金表面強化的重要手段。研究表明，LSP處理可顯著細化鈦合金表層晶粒，使表面硬度提升20%-40%，從而大幅增強其承載能力和耐磨性能。更重要的是，LSP誘導的梯度納米結構和高密度CRS（通常可達-500 MPa以上）能有效抑制疲勞裂紋萌生與擴展，使鈦合金的疲勞極限提高30%-50%。此外，LSP處理促進形成的納米晶結構和晶體缺陷有助于生成致密的氧化保護層，使鈦合金的耐蝕性能提升。表2系統對比了LSP處理前后鈦合金關鍵工程性能參數的演變規律。

表2 LSP前后鈦合金的工程性能的比較和總結

LSP的挑戰與未來的發展方向

自LSP技術發展以來，其在產業化和商業化應用方面已取得重要突破，但仍面臨若干關鍵性技術挑戰?；趯SP作用下鈦合金微觀組織演化與宏觀性能的深入理解，LSP技術已成功應用于航空航天領域關鍵部件的性能提升，包括鈦合金渦輪葉片、齒輪軸及轉子盤等核心承力構件，顯著提高了部件的疲勞壽命和損傷容限。在生物醫療領域，LSP技術通過調控鈦合金植入體表面納米結構和CRS分布，實現了生物相容性與力學性能的協同優化。此外，基于其獨特的CRS調控能力，LSP技術已成為焊接接頭和增材制造零件應力優化的有效手段。然而，隨著鈦合金構件向復雜曲面、輕量化方向發展，現有LSP設備在加工柔性方面面臨嚴峻挑戰；同時，針對極端服役環境下的性能需求，如何實現鈦合金工程性能的突破性提升仍是重大科學難題。為此，必須重點解決LSP技術在鈦合金加工中的三大核心問題：工藝柔性不足、穩定性欠缺以及強化均勻性難以保證。突破這些技術瓶頸的關鍵在于深入揭示LSP誘導鈦合金微觀組織演化與宏觀性能的跨尺度關聯機制。未來研究應聚焦于三個前沿方向：（1）開發模塊化、便攜式LSP裝備；（2）探索多種先進的材料加工方法集成；（3）建立基于微觀組織演變的LSP多尺度預測模型。

圖3 鈦合金LSP研究的現狀、挑戰和未來研究方向。

總結與展望

本文系統綜述了鈦合金在LSP處理下的研究現狀，介紹了LSP的基本原理及設計原理，并討論了高溫、低溫、電場和磁場輔助的LSP技術。文章總結了鈦合金在LSP過程中典型的組織演變特征，如位錯積累、層錯演化、變形孿晶、相變、晶粒細化及表面非晶化等。還總結了LSP對鈦合金表面硬度、耐磨性、疲勞耐久性和耐腐蝕性的影響，并深入探討了LSP對鈦合金工程性能的提升。文章分析了當前在應用LSP進一步提升鈦合金工程性能方面面臨的挑戰，并提出了未來的研究方向。預計，本文的綜述將為未來鈦合金LSP加工設計提供有價值的見解和指導，從而促進鈦合金在更廣泛領域的應用，并進一步提升其工程性能。

作者介紹

第一作者：劉倩，上海交通大學2023級博士研究生，以第一作者身份在JMST、MSEA、JAP等SCI期刊上發表論文6篇；公開國家發明專利3項。曾榮獲研究生國家獎學金等榮譽。

通訊作者：毛博，哲學博士，上海交通大學材料學院副教授、博士生導師。國家海外高層次青年人才、上海市海外領軍人才、以及小米青年學者等項目入選者。主要從事鈦合金等輕質高強金屬材料的先進制造和加工方面的研究。主持國家自然科學基金、國家重點研發計劃課題、上海市“科技創新行動計劃”專項、上海交通大學“交大之星”醫工交叉計劃等項目10余項。發表學術論文50余篇，授權和公開發明專利20余項。在北美制造科學與工程年會，國際航空材料大會，以及中國材料大會等國內外學術會議作邀請報告20余次。PNAS、Acta Materialia等40余種期刊審稿人。擔任中國材料研究學會鈦合金分會第一屆理事會理事等學術兼職。

本文的作者還包括中國寶武首席科學家、上海交通大學客座教授儲雙杰博士，蘇州大學張星博士，上海激光技術研究所王浩博士等。

課題組長期招募金屬材料領域的博士后和博士研究生，有意者可聯系: bmao@sjtu.edu.cn