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背景介紹

圖1鈦合金的典型分類、表面加工技術(shù)和應(yīng)用

本文亮點

本文系統(tǒng)綜述了激光沖擊強化（LSP）在鈦合金表面改性領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，首次從多場耦合角度對比分析了標(biāo)準(zhǔn)LSP與熱/低溫/電脈沖/磁場輔助LSP的工藝特性及其協(xié)同強化機(jī)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(jié)了鈦合金的組織演變-工程性能-工藝參數(shù)之間的關(guān)系。針對當(dāng)前LSP技術(shù)在復(fù)雜構(gòu)件適應(yīng)性加工、工藝參數(shù)精確調(diào)控等工程應(yīng)用中的關(guān)鍵瓶頸問題，創(chuàng)新性地提出了智能便攜式LSP設(shè)備開發(fā)、先進(jìn)的材料加工方法集成、基于微觀組織演變的數(shù)值模擬等未來發(fā)展方向，為突破鈦合金表面強化理論和技術(shù)瓶頸提供了重要指導(dǎo)。

圖文解析

LSP的過程創(chuàng)新設(shè)計

LSP是一種通過高能脈沖激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波實現(xiàn)鈦合金表面改性的技術(shù)，其傳統(tǒng)工藝?yán)酶吣芏堂}沖激光束穿過透明約束層，照射金屬表面覆蓋的犧牲層，導(dǎo)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(chǎn)生反向沖擊波，該沖擊波在材料內(nèi)部傳播形成應(yīng)力波，從而在表層引入梯度分布的壓縮殘余應(yīng)力和顯著的晶粒細(xì)化效應(yīng)。然而，傳統(tǒng)LSP的單一機(jī)械場作用在航空發(fā)動機(jī)葉片、航天器結(jié)構(gòu)件等極端環(huán)境（高溫、交變載荷、腐蝕等）應(yīng)用中存在明顯局限性，主要表現(xiàn)為：1) 高溫條件下（>300℃）位錯重排導(dǎo)致的應(yīng)力松弛；2) 循環(huán)載荷作用下的殘余應(yīng)力衰減。針對這些問題，近年來研究者開發(fā)了多物理場協(xié)同強化的創(chuàng)新LSP技術(shù)： 1. WLSP將熱-力耦合效應(yīng)引入LSP，通過動態(tài)應(yīng)變時效DSA調(diào)控微觀組織，結(jié)合熱激活與應(yīng)變時效優(yōu)勢，穩(wěn)定材料性能；2.CLSP利用液氮環(huán)境實現(xiàn)低溫超高應(yīng)變速率協(xié)同強化，抑制位錯滑移并促進(jìn)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(yīng)，優(yōu)化位錯運動，修復(fù)裂紋并改善織構(gòu)，同時提升材料延展性；4. MFLSP利用脈沖磁場調(diào)控位錯動力學(xué)，通過磁場干預(yù)軌道自旋狀態(tài)（單重態(tài)→三重態(tài)），降低位錯-障礙物結(jié)合能，促進(jìn)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(chuàng)新設(shè)計通過多物理場（熱、電、磁）的協(xié)同作用，克服了傳統(tǒng)LSP的局限性，實現(xiàn)了鈦合金表面性能的協(xié)同提升與穩(wěn)定化，為極端環(huán)境應(yīng)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(yīng)變速率下的微觀組織演化行為是LSP工藝設(shè)計與優(yōu)化的關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)。作為典型的同素異構(gòu)體材料，鈦合金不僅包含六方密排結(jié)構(gòu)（α相）和體心立方結(jié)構(gòu)（β相）兩種基本相，還存在α'相、α"相以及ω相等多種亞穩(wěn)相。這些相結(jié)構(gòu)因其晶體學(xué)特征的差異而表現(xiàn)出截然不同的塑性變形機(jī)制，包括位錯運動、形變孿生、應(yīng)力誘發(fā)相變、晶粒細(xì)化以及表面非晶化等多種微觀響應(yīng)形式。特別值得注意的是，LSP工藝特有的超高應(yīng)變率（~10⁶/s）載荷條件會引發(fā)與準(zhǔn)靜態(tài)變形顯著不同的微觀結(jié)構(gòu)演化。表1系統(tǒng)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(jī)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(yōu)異的耐腐蝕性、耐磨性和疲勞強度，在航空航天、化工和醫(yī)療等關(guān)鍵領(lǐng)域具有不可替代的應(yīng)用價值。為進(jìn)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(guān)鍵指標(biāo)，LSP技術(shù)憑借其獨特的表面強化機(jī)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(xì)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(dǎo)的梯度納米結(jié)構(gòu)和高密度CRS（通常可達(dá)-500 MPa以上）能有效抑制疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展，使鈦合金的疲勞極限提高30%-50%。此外，LSP處理促進(jìn)形成的納米晶結(jié)構(gòu)和晶體缺陷有助于生成致密的氧化保護(hù)層，使鈦合金的耐蝕性能提升。表2系統(tǒng)對比了LSP處理前后鈦合金關(guān)鍵工程性能參數(shù)的演變規(guī)律。

表2 LSP前后鈦合金的工程性能的比較和總結(jié)

LSP的挑戰(zhàn)與未來的發(fā)展方向

自LSP技術(shù)發(fā)展以來，其在產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化應(yīng)用方面已取得重要突破，但仍面臨若干關(guān)鍵性技術(shù)挑戰(zhàn)。基于對LSP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(shù)已成功應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵部件的性能提升，包括鈦合金渦輪葉片、齒輪軸及轉(zhuǎn)子盤等核心承力構(gòu)件，顯著提高了部件的疲勞壽命和損傷容限。在生物醫(yī)療領(lǐng)域，LSP技術(shù)通過調(diào)控鈦合金植入體表面納米結(jié)構(gòu)和CRS分布，實現(xiàn)了生物相容性與力學(xué)性能的協(xié)同優(yōu)化。此外，基于其獨特的CRS調(diào)控能力，LSP技術(shù)已成為焊接接頭和增材制造零件應(yīng)力優(yōu)化的有效手段。然而，隨著鈦合金構(gòu)件向復(fù)雜曲面、輕量化方向發(fā)展，現(xiàn)有LSP設(shè)備在加工柔性方面面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；同時，針對極端服役環(huán)境下的性能需求，如何實現(xiàn)鈦合金工程性能的突破性提升仍是重大科學(xué)難題。為此，必須重點解決LSP技術(shù)在鈦合金加工中的三大核心問題：工藝柔性不足、穩(wěn)定性欠缺以及強化均勻性難以保證。突破這些技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵在于深入揭示LSP誘導(dǎo)鈦合金微觀組織演化與宏觀性能的跨尺度關(guān)聯(lián)機(jī)制。未來研究應(yīng)聚焦于三個前沿方向：（1）開發(fā)模塊化、便攜式LSP裝備；（2）探索多種先進(jìn)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(yù)測模型。

圖3 鈦合金LSP研究的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和未來研究方向。

總結(jié)與展望

本文系統(tǒng)綜述了鈦合金在LSP處理下的研究現(xiàn)狀，介紹了LSP的基本原理及設(shè)計原理，并討論了高溫、低溫、電場和磁場輔助的LSP技術(shù)。文章總結(jié)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(xì)化及表面非晶化等。還總結(jié)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(dāng)前在應(yīng)用LSP進(jìn)一步提升鈦合金工程性能方面面臨的挑戰(zhàn)，并提出了未來的研究方向。預(yù)計，本文的綜述將為未來鈦合金LSP加工設(shè)計提供有價值的見解和指導(dǎo)，從而促進(jìn)鈦合金在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用，并進(jìn)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(xué)2023級博士研究生，以第一作者身份在JMST、MSEA、JAP等SCI期刊上發(fā)表論文6篇；公開國家發(fā)明專利3項。曾榮獲研究生國家獎學(xué)金等榮譽。

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

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

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