【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】定制金屬材料的微米和納米結(jié)構(gòu)，如細(xì)化和層狀晶粒、高階納米線和位錯結(jié)構(gòu)，可有效改善其機械性能。因此，操縱微/納米結(jié)構(gòu)正在成為金屬增強的一種關(guān)鍵技術(shù)方法。非線性力學(xué)國家重點實驗室的彭慶研究員和華北電力大學(xué)的王鵬杰助理教授的聯(lián)合研究團(tuán)隊在Ti-6Al-4V合金表面利用超短脈沖激光噴丸技術(shù)成功誘導(dǎo)形成了梯度微納結(jié)構(gòu)，這一成果為金屬材料表面性能的優(yōu)化提供了全新途徑。
 

　　實驗中采用了飛秒和皮秒激光脈沖，這些超短脈沖激光由于其超高的峰值強度，能夠在無需涂層和封閉的條件下直接對金屬表面進(jìn)行處理。實驗結(jié)果顯示，飛秒激光噴丸引起的材料去除量最小，而皮秒激光噴丸則導(dǎo)致了更明顯的相變和材料去除，最大去除深度接近30微米。通過透射電子顯微鏡(TEM)的觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超短脈沖激光噴丸處理后的Ti-6Al-4V合金表面，其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，原本粗大的晶粒得到了細(xì)化，位錯大量增殖，這些變化對于提高材料的力學(xué)性能至關(guān)重要。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，超短脈沖激光噴丸技術(shù)在精度和空間適應(yīng)性方面具有顯著優(yōu)勢，特別適合于微組件的表面強化。與傳統(tǒng)的納秒激光噴丸技術(shù)和機械方法相比，超短脈沖激光噴丸技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)的表面結(jié)構(gòu)調(diào)控，這對于制造具有特定表面性能的微或復(fù)雜空間形狀的工業(yè)部件具有重要意義。這項研究不僅在理論上提供了深入的見解，而且在實際應(yīng)用中也展現(xiàn)了廣闊的前景，為未來金屬材料表面工程的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。
 

　　該研究成果以“Nano gradient structuring at Ti-6Al-4V surface induced by ultrashort-pulse laser peening”為題發(fā)表在Journal of Manufacturing Processes上期刊上(Volume 132, 26 December 2024, Pages 105-111)。東北大學(xué)博士生李林鮮為論文第一作者，彭慶研究員和王鵬杰教授為通訊作者。此工作得到國家自然科學(xué)基金(12272378和52175293)和力學(xué)所力英計劃的支持。
 

圖1 超短脈沖激光剝離實驗裝置和激光掃描模型示意圖
 

　　圖2 原始和超短脈沖激光強化Ti-6Al-4V合金樣品的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)比較。原始樣品(a)、飛秒激光強化樣品(b)和皮秒激光強化樣品(c)的表面形貌。(d)原始樣品、(e)飛秒激光強化樣品和(f)皮秒激光強化樣品表面的 TEM 圖像。Sa：算術(shù)平均偏差。Sq：均方根偏差。
 

　　圖3 通過飛秒激光噴丸處理產(chǎn)生的所研究的Ti-6Al-4V合金頂面(深度約15μm)上的梯度微/納米結(jié)構(gòu)特征。(a) 用 TEM 在深度方向上進(jìn)行的顯微觀察。(b-d)靠近激光強化表面的晶粒細(xì)化區(qū)域的超細(xì)晶粒。(b) 中的插圖表示細(xì)化晶粒的SAED圖樣。(e-j)飛秒激光強化引起的嚴(yán)重塑性變形區(qū)域的微納米結(jié)構(gòu)，包括位錯纏結(jié)、亞晶界、納米網(wǎng)、位錯單元和位錯壁。
 

　　圖4 所研究的Ti-6Al-4V合金通過皮秒激光強化產(chǎn)生的表面沿深度方向的梯度微/納米結(jié)構(gòu)的TEM特性，包括細(xì)化晶粒、層狀結(jié)構(gòu)、亞晶界、分層納米網(wǎng)、位錯纏結(jié)和堆積。高分辨率的TEM照片分別顯示了晶界、納米絲和位錯纏結(jié)。放大方形區(qū)域的逆快速傅立葉變換(IFFT)圖像顯示了局部位錯分布和堆積。
 

圖5 超短脈沖激光強化(LP)處理前后的微米/納米結(jié)構(gòu)示意圖。