沈航杨光教授丨喷丸强化对激光沉积增材制造TA15钛合金疲劳行为的影响

一、研究意义和内容

激光沉积增材制造(LDM)是通过逐层堆积的方法来构建具有复杂几何形状的组件，因其材料利用率高、生产周期短和后续加工较少而在航空航天和生物医疗等领域受到了广泛关注。目前，采用LDM工艺生产的钛合金的拉伸性能已经可以和锻造产品相媲美。但是，由于LDM过程的特殊性，成形件表面的拉伸残余应力和内部气孔等缺陷的存在对疲劳性能有很大影响。因此，本文使用超声喷丸（USP）对LDM TA15钛合金进行了表面强化处理，对比了USP处理前后的表面形貌、微观结构、显微硬度、残余应力和疲劳寿命，分析了USP处理对疲劳行为的影响机理。

图1. 激光沉积制造超声喷丸处理示意图

二、结果分析

1.表面形貌

图2.USP处理表面三维形貌和二维截面轮廓

2.显微组织

图3中，根据光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）的观察结果，USP处理过程中弹丸的持续冲击引起了试件表面的塑性变形，α相的尺寸和角度都发生了变化。XRD分析的结果显示主要衍射峰的布拉格角向高角度偏移，根据Williamson-Hall关系和Scherrer公式的计算结果，USP处理增大了微观结构的晶格应变，塑性变形是晶格应变增大的重要原因。此外，TEM观察结果还显示塑性变形层内存在高密度的位错结构和变形孪晶。

图3. USP处理前后的显微组织和XRD图谱

3、显微硬度和残余应力

图4显示了LDM TA15钛合金试件表面和沿深度方向的显微硬度分布。USP试件的表面显微硬度约为396.7HV，比LDM试件高大约12%。随着与表面距离的增加，USP试件的显微硬度逐渐降低，随后稳定在345HV和355HV之间，这与LDM试件的基体硬度大致相同。整个硬化层的厚度约为240μm。显微硬度的增大与试件表面的高密度位错结构有关。

在LDM过程中，当熔池在短时间内膨胀和收缩时，在基板和沉积层的约束下可能会形成拉伸残余应力。如图5所示，LDM TA15钛合金表面（XZ平面）上的残余应力在双重退火之前约为208.3±39.6MPa。拉伸残余应力可能导致部件变形和开裂，同时直接影响试件的疲劳性能。即使LDM TA15钛合金经过双重退火热处理，LDM试件表面仍存在约100MPa的拉伸残余应力。USP处理后表面层的拉伸残余应力完全转化为压缩残余应力。随着与表面距离的增加，压缩残余应力呈现先增加后下降的趋势，最后返回到基体水平。表面压缩残余应力增加至615 MPa，而在40μm深度处的最大值约为798MPa，应力强化层的厚度约为225µm。晶格应变和位错移动可显著影响宏观残余应力。根据TEM和XRD分析结果，LDM TA15钛合金在USP处理过程中表面微观结构中存在晶格应变和位错运动，这解释了表面拉伸残余应力向压缩残余应力的转变。此外，残余压应力的存在会加剧硬化现象。因此，表面硬度的增加也与残余应力的转变有关。

图4. USP处理前后的显微硬度

       

图5. USP处理前后的残余应力

4.疲劳行为

USP处理对LDM TA15钛合金的疲劳行有显著影响。图6所示，在720MPa和760MPa应力水平下，USP试件的安全疲劳寿命（可靠性R=0.95，置信度C=0.95）分别提高了200%和43%。疲劳断口形貌显示，气孔是诱导疲劳失效的主要原因。虽然USP处理增大了试件表面的局部应力集中系数，但是在气孔-轮廓谷竞争中，气孔表现出更大的疲劳敏感性，而高密度位错和压缩残余应力是提高疲劳寿命的主要原因。高密度位错阻碍了表面附近气孔处的裂纹形核和短裂纹扩展，残余压应力的存在降低了稳定裂纹扩展阶段的裂纹扩展速率。结果证明了USP处理是改善LDM TA15钛合金疲劳行为的有效手段。

图6. USP处理前后的断口形貌和强化机制

三、结论

本文研究了USP对LDM TA15钛合金的表面形貌、表面粗糙度、残余应力、显微硬度和疲劳行为的影响，分析了USP处理对疲劳行为的影响机理。主要结论如下：

1）在720MPa和760MPa应力载荷下，LDM TA15钛合金的安全疲劳寿命（可靠性R=0.95，置信水平C=0.95USP）分别提高了200%和43%。

2）USP处理后，原始α晶粒中产生了高密度位错结构和变形孪晶。LDM TA15钛合金的表面硬度增大了约12%，硬化层厚度约为240μm。

3）在USP作用下，LDM TA15合金的拉伸残余应力转化为压缩残余应力，最大值约为798MPa，影响深度约为225μm。

4）USP处理增大了表面三维轮廓的均方根偏差（Sq）和局部应力集中系数（Kst）。但在气孔-轮廓谷的竞争中，气孔表现出更大的疲劳敏感性。USP产生的高密度位错阻碍了表面附近气孔处的裂纹形核和短裂纹扩展。残余压应力的存在进一步降低了稳定裂纹扩展阶段的裂纹扩展速率。