激光冲击喷丸下α-钛微观结构的原子尺度探秘：从晶格重定向到堆垛层错的演变！

激光冲击喷丸下α-钛微观结构的原子尺度探秘：从晶格重定向到堆垛层错的演变！

【研究背景】

钛及其合金是重要的结构材料，因其具有较高的比强度以及优异的耐高温和耐腐蚀性能，广泛应用于航空航天、汽车和生物医药等领域。与传统的结构材料相比，钛合金在恶劣环境下表现出更好的力学性能。然而，钛合金部件，如航空发动机压气机叶片，常常面临高周疲劳失效的问题，这为其在复杂工况下的长期服役带来了严峻挑战。

为此，来自北京航空航天大学宇航学院的李睿智研究团队在激光冲击喷丸（LSP）研究中取得了新进展。该团队通过分子动力学模拟与实验结合的方式，系统研究了LSP处理α-钛材料的微观结构演变机制。通过对不同激光能量密度下的LSP过程进行模拟，该团队发现，在低能量密度下，晶格重定向和位错滑移主导了钛材料的塑性变形；而在高能量密度下，堆垛层错和晶体无序化成为主要的微观结构特征。

利用透射电子显微镜（TEM）技术，研究团队成功验证了分子动力学模拟结果，并提出了不同能量密度下材料塑性变形的微观机制模型。研究表明，Schmid因子和能量屏障对微观变形模式起到了决定性作用。这一发现不仅为激光冲击喷丸技术优化提供了新的理论依据，也为通过调整LSP参数来提升钛合金材料的力学性能提供了技术支持。

【图文解读】

1. 实验首次通过分子动力学方法模拟激光冲击喷丸（LSP）对α-钛晶体的作用，研究了在不同能量密度下的微观结构演变。模拟揭示了在低能量密度下，晶格重定向和位错滑移是主导的塑性变形机制，而在高能量密度下，堆垛层错和晶体无序化成为主要的微观结构特征。

2. 实验通过透射电子显微镜（TEM）观察验证了模拟中的微观结构特征，进一步确认了冲击诱导的微观结构变化。结果表明，随着激光能量密度的增加，材料的微观结构发生显著变化。

3. 基于Schmid因子和能量障碍，实验提出了在不同冲击能量下材料内部的多种塑性变形模式。这些变形模式有助于解释激光能量与α-钛后续微观结构之间的关系，提出了通过优化LSP处理参数来提高材料机械性能的新途径。 

【科学启迪】

本文揭示了激光冲击喷丸（LSP）处理对α-钛微观结构演变的细致影响，并通过分子动力学模拟与实验验证相结合的方式，提供了对材料性能改善的新见解。研究表明，在低激光能量密度下，晶格重定向和位错滑移是塑性变形的主导机制；而在高激光能量密度下，堆垛层错和晶体无序化成为主要的微观结构特征。这一发现不仅加深了对LSP处理过程中微观结构变化的理解，还揭示了激光能量密度与材料机械性能之间的内在联系。通过分析不同冲击能量下的微观变形模式，研究提出了基于Schmid因子和能量障碍的变形模式理论。这些研究成果为优化LSP处理参数以提升材料性能提供了科学依据，同时也为相关领域的材料加工技术和工程应用提供了宝贵的参考。

参考文献：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120359" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120359