增材制造鈦合金激光噴丸組織及熱穩(wěn)定性研究進(jìn)展

王 軍， 何 博， 雷益宇， 賈文靜， 蘭 亮， 高 雙

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 高溫合金精密成形中心， 上海 201620；2. 上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院， 上海 201620 )

1999年Lu等[1]將納米化和表面工程相結(jié)合，從而提出表面納米化的概念。在外部作用下將材料表層粗晶逐漸細(xì)化至具有一定厚度的納米層結(jié)構(gòu)，其基體部分仍然保持原有粗晶組織的梯度結(jié)構(gòu)。由于晶界的體積分?jǐn)?shù)較大，相對(duì)于粗晶粒金屬材料，表面納米結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)金屬材料物理和力學(xué)性能，目前包括激光噴丸(Laser shock peening, LSP)在內(nèi)的表面納米化技術(shù)在不改變材料化學(xué)成分和形狀的情況下可顯著提高表面性能進(jìn)而得到了廣泛研究。

激光噴丸又稱激光沖擊強(qiáng)化，通過(guò)引進(jìn)壓縮殘余應(yīng)力和消除近表面裂紋及空隙，已展現(xiàn)出增加表面硬度、提高材料力學(xué)性能的潛力，有助于減緩許多在表面引發(fā)的失效機(jī)制，包括疲勞[2]、磨損[3]和應(yīng)力腐蝕[4]等。激光選區(qū)熔化(Selective laser melting，SLM)作為增材制造技術(shù)(Additive manufacturing，AM)之一，利用高能激光選擇性熔化金屬粉末成形致密部件，具有制造周期短、設(shè)計(jì)靈活、自由度高、材料利用率高、制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。然而，SLM 工藝中高溫度梯度以及極快的冷卻速度等特點(diǎn)導(dǎo)致了比如空隙、粗晶、殘余拉應(yīng)力等不利因素[7-8]。增材制造鈦合金憑借幾乎不受幾何復(fù)雜限制且比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)在航空及醫(yī)學(xué)類等諸多領(lǐng)域受到重視，但也在內(nèi)部引入粗晶、較大殘余拉應(yīng)力等。SLM制備鈦合金尤其是Ti6Al4V合金作為目前研究最為廣泛的增材制造材料將是本文的討論重點(diǎn)。

激光噴丸是相對(duì)更適用于AM的表面強(qiáng)化技術(shù)之一，首先，LSP 具有很好的適應(yīng)性，可控參數(shù)及無(wú)需涂層使其更加適用于增材制造的幾何形狀復(fù)雜的零件；其次，與機(jī)械噴丸和超聲波噴丸相比，LSP 產(chǎn)生的表面應(yīng)變和形狀變化較小，可應(yīng)用于產(chǎn)品上的一些更薄和微細(xì)的結(jié)構(gòu)；第三，LSP引入較深壓應(yīng)力可抵消增材制造件一定深度拉應(yīng)力并均勻細(xì)化表層粗晶；第四，不引入雜質(zhì)，相對(duì)清潔，處理層與基體過(guò)渡平穩(wěn)，結(jié)合性好。

激光噴丸開(kāi)始被更多應(yīng)用于AM后處理上，如Lan等[9]研究激光沖擊強(qiáng)化對(duì)SLM-Ti6Al4V鈦合金組織和性能的影響。Guo等[10]研究激光沖擊強(qiáng)化對(duì)激光增材制造Ti6Al4V鈦合金的表面微觀組織和性能影響。此外Chi等[11]為了平衡LSP 引起的機(jī)械強(qiáng)度提高帶來(lái)的延展性損失，使用熱處理(600 ℃×4 h、爐冷)+LSP 的組合后處理對(duì)電弧增材制造Ti17 鈦合金進(jìn)行了研究，在保證原始極限抗拉強(qiáng)度(1153±13 MPa)的同時(shí)，樣品伸長(zhǎng)率提高15%。

LSP最近雖已被用作增材制造的后處理，但LSP應(yīng)用依舊受限且很大程度歸咎于壓縮殘余應(yīng)力以及加工硬化層在加熱過(guò)程中容易松弛和退化。即使在中等的發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度下，一半的初始?jí)簯?yīng)力也可以在不到 10 min的時(shí)間內(nèi)得到釋放[12]。通常材料的微觀組織結(jié)構(gòu)決定材料性能，但材料內(nèi)部微觀組織又與實(shí)際服役的環(huán)境因素有關(guān)，比如溫度[13]。LSP是超高應(yīng)變率、短脈沖持續(xù)時(shí)間的塑性變形過(guò)程，位錯(cuò)滑移時(shí)間有限，LSP誘導(dǎo)位錯(cuò)組態(tài)不穩(wěn)定，易在高溫條件下重排，最終被穩(wěn)定結(jié)構(gòu)取代。此外，LSP誘導(dǎo)的超細(xì)晶粒在高溫下會(huì)粗化，導(dǎo)致其優(yōu)異性能并不穩(wěn)定。因此研究激光噴丸尤其在AM件上可能存在的熱退化及控制方法對(duì)擴(kuò)大LSP的應(yīng)用十分重要。

1 激光噴丸技術(shù)概述

1.1 激光噴丸的基本原理

LSP工作原理如圖1所示，一般材料表面涂覆一層吸收層(黑漆、鋁箔等)，再覆蓋一層透明約束層(水流、玻璃等)。隨著短脈沖高峰值功率密度強(qiáng)激光束照射到吸收層，能量吸收層立即氣化并電離等離子體，形成的等離子體將迅速膨脹并受到約束層的限制，從而向靶材施加沖擊載荷，極短時(shí)間(80 ns左右)向內(nèi)部傳播沖擊波，沖擊波的壓力可達(dá)到幾GPa，遠(yuǎn)大于其屈服強(qiáng)度使材料發(fā)生劇烈塑性變形[14]。

圖1 LSP 工藝示意圖(a)[16]及激光噴丸試樣TEM 明場(chǎng)像(b)[17]

由于泊松效應(yīng)，金屬會(huì)橫向膨脹以保持體積(見(jiàn)圖1(a))。 周圍的材料抵抗膨脹，在表面附近和相對(duì)較深的區(qū)域產(chǎn)生殘余壓縮場(chǎng)。塑性變形形成的位錯(cuò)纏結(jié)和滑移帶導(dǎo)致位錯(cuò)密度顯著增加(見(jiàn)圖1(b))。壓應(yīng)力場(chǎng)與高密度位錯(cuò)的存在對(duì)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展有明顯阻礙作用[15]。

1.2 激光噴丸在增材制造技術(shù)中的研究現(xiàn)狀

LSP是一種創(chuàng)新的表面處理工藝，其在傳統(tǒng)制造業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)其在增材制造中也具有改變表面微觀結(jié)構(gòu)并改善零件力學(xué)性能的潛力。盡管與增材制造工藝相關(guān)的挑戰(zhàn)依然存在，但隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展不斷帶來(lái)新機(jī)遇，對(duì)應(yīng)LSP后處理的研究正變得越來(lái)越多。

國(guó)內(nèi)研究激光噴丸技術(shù)對(duì)增材制造成形件強(qiáng)化較廣泛，有電弧增材制造、電子束熔化增材制造及SLM等方面的激光噴丸研究，都取得了不錯(cuò)的效果。研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)制造材料一樣，由于在LSP期間產(chǎn)生的壓應(yīng)力，AM材料也發(fā)生了明顯的微觀結(jié)構(gòu)演化。

Sun等[18]研究電弧增材制造2319 鋁合金在 LSP 處理前后的微觀組織。指出在 LSP 之前顯微組織由粗大的等軸晶粒組成。 經(jīng)過(guò) LSP 處理后，觀察到晶粒細(xì)化，平均晶粒尺寸從 59.7 μm 減小到 46.7 μm，降低了22%。

Guo等[10]研究了LSP處理激光增材制造Ti6Al4V鈦合金的表面微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。LSP前可以觀察到初生α相和β相，邊界清晰尖銳。LSP后觀察到2個(gè)不同方向且寬度不同的機(jī)械孿晶，還觀察到了位錯(cuò)線和位錯(cuò)纏結(jié)，指出在LSP期間發(fā)生了位錯(cuò)滑移和累積。β晶粒中的高密度位錯(cuò)和α晶粒中的多向機(jī)械孿晶是晶粒細(xì)化的原因。

Jin等[19]研究了LSP對(duì)電子束熔融增材制造Ti6Al4V鈦合金顯微組織和疲勞行為的影響。原始顯微結(jié)構(gòu)由β相和α層狀相組成。在LSP過(guò)程中，α相的晶粒細(xì)化是通過(guò)位錯(cuò)演化和形變孿晶實(shí)現(xiàn)。殘余壓應(yīng)力和LSP產(chǎn)生的α相晶粒細(xì)化的作用，可減小原有裂紋尺寸，抑制裂紋萌生，提升疲勞性能。

Lan等[9]把 LSP對(duì)SLM-Ti6Al4V鈦合金的組織影響做了詳細(xì)研究。發(fā)現(xiàn)SLM 試樣有許多長(zhǎng)而直的板條，指出發(fā)生了bcc β → hcp α′ 的無(wú)擴(kuò)散馬氏體轉(zhuǎn)變；其取向主要集中在或接近[0001]和[1210]。LSP處理后的樣品中長(zhǎng)直板條明顯減少(見(jiàn)圖2 (b))，表明 hcp 相被細(xì)化；同時(shí)，其取向發(fā)生了變化，即在LSP后隨著[0001]的減少，[0110]增加。通過(guò)透射電鏡進(jìn)一步研究了激光噴丸處理前后 SLM-Ti6Al4V合金的組織。如圖2(c, d)所示，發(fā)現(xiàn)在粗大的α′馬氏體組織中，位錯(cuò)密度非常低，觀察到單個(gè)位錯(cuò)。LSP 后觀察到2種取向α′相形變孿晶(見(jiàn)圖2(e, f ))；同時(shí)發(fā)現(xiàn)大量位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，包括集中在α′馬氏體中的位錯(cuò)線和位錯(cuò)纏結(jié)。兩者共同導(dǎo)致晶粒細(xì)化。并測(cè)量一定深度方向各層殘余應(yīng)力分布情況，證明LSP提高強(qiáng)度和顯微硬度的主要機(jī)制是殘余壓應(yīng)力和α′相晶粒細(xì)化。

國(guó)外對(duì)LSP后處理增材制造鈦合金的研究偏向SLM-Ti6Al4V合金。同時(shí)考慮激光噴丸前進(jìn)行熱處理使得強(qiáng)度塑性達(dá)到最優(yōu)，也有將 LSP 技術(shù)與SLM 技術(shù)相集成的趨勢(shì)。

Sebastian 等[20]研究發(fā)現(xiàn)激光噴丸和機(jī)械噴丸處理對(duì)SLM-Ti6Al4V合金的組織特征有顯著影響。注意到對(duì)于法線方向，不同施密特因子相鄰晶粒之間變形行為存在差異。激光噴丸引入略高程度的取向差，增加了幾何必要位錯(cuò)密度。提出晶粒作為一個(gè)整體向表面法線方向變形，晶粒取向和相關(guān)的施密特因子在變形中起主要作用。

單純LSP提高零件的整體性能有限，所以引入靈活性相對(duì)更高的熱處理，熱處理可均勻組織，緩解打印件內(nèi)部殘余拉應(yīng)力，LSP進(jìn)一步引進(jìn)高幅殘余壓應(yīng)力，同時(shí)細(xì)化晶粒，提高力學(xué)性能，最終實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和延展性之間的平衡。

Yeo等[21]發(fā)現(xiàn)SLM-Ti6Al4V合金部件存在高脆性和韌性差問(wèn)題，這在很大程度上歸因于α′ 馬氏體組織，對(duì)其進(jìn)行后續(xù)熱處理(900 ℃×1 h，空冷)以提高產(chǎn)品的韌性，但是其強(qiáng)度、耐磨性和耐蝕性下降。將LSP應(yīng)用于經(jīng)過(guò)該熱處理的產(chǎn)品，沖擊性能幾乎保持不變，表面硬度和耐磨性分別恢復(fù)至約92%和幾乎全值。從而提出可以在熱處理后應(yīng)用LSP，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異韌性、強(qiáng)度和耐磨耐蝕性能。

Chi等[11]針對(duì)電弧增材制造Ti17合金通常包含大柱狀晶粒和有害殘余拉應(yīng)力，采用熱處理(600 ℃×4 h，爐冷)和LSP相結(jié)合的后處理方法來(lái)改變?cè)撯伜辖鸬奈⒂^組織和性能。發(fā)現(xiàn)在LSP后，粗α相中觀察到高密度位錯(cuò)和機(jī)械孿晶，并逐漸細(xì)化α相。 經(jīng)過(guò)熱處理和LSP處理后，在保證原始極限抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，樣品的伸長(zhǎng)率提高15%。這種熱處理和LSP 相結(jié)合的方法通過(guò)調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)和引入殘余壓應(yīng)力并細(xì)化晶粒從而提高整體力學(xué)性能。

現(xiàn)如今激光噴丸也有直接與增材制造技術(shù)集成發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)外Kalentics等[22-23]提出一種新穎的激光噴丸技術(shù)—復(fù)合激光噴丸，將帶LSP激光器集成到 SLM 機(jī)器中，在SLM過(guò)程中每沉積幾層金屬粉末后循環(huán)引入LSP處理，壓應(yīng)力大小、深度及晶粒細(xì)化程度均大幅提升。國(guó)內(nèi)何博等[24]提出可以在每個(gè)打印層選定區(qū)域進(jìn)行呈梯度分布LSP，最終獲得梯度結(jié)構(gòu)件，有效降低金屬材料表面殘余拉應(yīng)力和金屬材料在極冷條件下產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力及提高塑韌性。目前該技術(shù)存在的問(wèn)題是既需要額外的處理時(shí)間和夯實(shí)層，也有可能會(huì)在正在加工各層下方產(chǎn)生補(bǔ)償拉應(yīng)力，導(dǎo)致變形和內(nèi)部誘發(fā)疲勞失效，工藝復(fù)雜且成本高[25]。針對(duì)目前長(zhǎng)期服役條件下，尤其在高溫條件下，強(qiáng)化層的組織是如何變化的，熱穩(wěn)定性效果如何，這些問(wèn)題的研究報(bào)道較少，然而上述問(wèn)題卻是實(shí)際工程領(lǐng)域中急需深入研究的問(wèn)題。

2 激光噴丸鈦合金微觀組織熱穩(wěn)定性研究

LSP因其沖擊壓力大且作用時(shí)間極短會(huì)形成大量非平衡組織，在升高的溫度下，通常高于 0.5Tm(Tm為熔化溫度)，其亞穩(wěn)態(tài)晶體缺陷的湮滅和重組、晶粒粗化和材料軟化，導(dǎo)致有益的微觀組織改變和殘余壓應(yīng)力松弛，降低了激光噴丸處理的有效性[26]。對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)工藝制備材料研究激光噴丸組織熱穩(wěn)定性較多。

Yang等[27]研究了軋制TC17鈦合金經(jīng)LSP后組織的熱穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)573 K×1 h退火試樣中位錯(cuò)密度降低，位錯(cuò)胞變得更清晰。變形孿晶密度沒(méi)有很大變化，表面的平均晶粒尺寸也沒(méi)有太大變化。在673 K退火1 h后，位錯(cuò)密度和形變孿晶密度在不同深度都大大降低，并且表面平均晶粒尺寸增加。指出在臨界溫度673 K以下，LSP誘導(dǎo)的 TC17鈦合金有益組織是穩(wěn)定的。

楊濤等[28]分析了LSP處理軋制Ti-6Al-4V鈦合金經(jīng)400 ℃×1 h、500 ℃×1 h、 550 ℃×1 h和600 ℃×1 h熱處理后微觀組織的演變情況。400～500 ℃范圍內(nèi)位錯(cuò)重排，形成位錯(cuò)墻分割細(xì)化晶粒，除此之外組織基本未發(fā)生變化，550～600 ℃的試樣α、β兩相開(kāi)始粗化，位錯(cuò)密度明顯減少，但沒(méi)有新相生成。位錯(cuò)組態(tài)隨熱處理溫度升高不斷演化，對(duì)應(yīng)應(yīng)力松弛。該研究未對(duì)無(wú)LSP的直接熱處理試樣進(jìn)行相應(yīng)顯微硬度以及殘余應(yīng)力的變化分析，無(wú)法說(shuō)明單一熱處理對(duì)其中相關(guān)組織和性能的影響。

目前研究增材制造鈦合金利用LSP后處理已經(jīng)取得不錯(cuò)的成果，而對(duì)相關(guān)LSP組織熱穩(wěn)定性研究有限，更多結(jié)合了其他因素研究高溫抗氧化性以及熱腐蝕行為。

Wang等[29]發(fā)現(xiàn)在特定的氧化溫度和時(shí)間下，經(jīng)LSP 的激光增材制造Ti6Al4V合金樣品高溫抗氧化性好，觀察氧化層組織，發(fā)現(xiàn)在400、600、700及800 ℃的保溫溫度下未經(jīng)處理樣品中僅形成了1個(gè)富鋁區(qū)，而在經(jīng)過(guò)LSP處理樣品中觀察到了3個(gè)富鋁區(qū)。富鋁層主要是致密的 Al2O3層(粒狀顆粒相互連接形成短棒狀，在表面上彼此緊密堆積)。關(guān)鍵在于LSP可以促進(jìn)Al在氧化過(guò)程中的擴(kuò)散，形成更多致密的Al2O3層，阻止氧向基體的進(jìn)一步擴(kuò)散， 激光增材制造Ti6Al4V 鈦合金組織穩(wěn)定性得到提高 。

Lu等[30]研究了LSP對(duì)SLM-Ti6Al4V鈦合金熱腐蝕行為的影響。將LSP處理的SLM-Ti6Al4V鈦合金樣品經(jīng)鹽溶液 (75%Na2SO4、25%NaCl )噴涂后，在400、500、600和700 ℃下保溫50 h進(jìn)行氧化，發(fā)現(xiàn)LSP處理后產(chǎn)生高密度位錯(cuò)和大量納米孿晶，這有助于表面層晶界效應(yīng)。合金優(yōu)越的塑性變形能力有助于腐蝕層應(yīng)力釋放從而減少裂紋出現(xiàn)。兩者共同提高了SLM-Ti6Al4V合金在熱腐蝕環(huán)境中組織性能穩(wěn)定性。但對(duì)高溫腐蝕環(huán)境下位錯(cuò)組態(tài)演變分析有限，特別是位錯(cuò)對(duì)殘余應(yīng)力、表層硬度及可能所受原子釘扎作用的影響。

Kalentics等[31]研究了LSP對(duì)SLM成形零件高溫退火(1100 ℃×10 min，水冷)過(guò)程中微觀組織演變的影響。在該熱處理后，對(duì)于SLM初始試樣中沒(méi)有觀察到再結(jié)晶，如圖3(a, c)所示。而在經(jīng)LSP處理的SLM樣品中觀察到明顯的再結(jié)晶，如圖3(b, d)所示。指出LSP處理增加了材料中儲(chǔ)存能，但不會(huì)導(dǎo)致明顯的晶粒細(xì)化。當(dāng)隨后退火時(shí)，試樣微觀結(jié)構(gòu)從柱狀晶變?yōu)榧?xì)化等軸晶，織構(gòu)減弱。為通過(guò)后續(xù)熱處理可使得處理區(qū)與非處理區(qū)獲得特定微觀組織或是整個(gè)體積內(nèi)獲得均勻等軸晶提供思路，但是對(duì)于具有中高層錯(cuò)能的材料，產(chǎn)生位錯(cuò)少，儲(chǔ)存能低，很難有同樣現(xiàn)象。

3 提高激光噴丸熱穩(wěn)定性的方法

盡管 LSP 已被開(kāi)始用于提高AM件的力學(xué)性能，但其在高溫環(huán)境中的應(yīng)用受到表層納米結(jié)構(gòu)固有熱不穩(wěn)定性的影響[32]。此外，還觀察到固態(tài)擴(kuò)散在足夠高的溫度下發(fā)生，這使得激光噴丸材料獲得熱穩(wěn)定性較難。針對(duì)LSP起效的本質(zhì)—最表面為納米層的梯度結(jié)構(gòu)微納米晶的穩(wěn)定性，目前主要采取新工藝和開(kāi)發(fā)新的LSP技術(shù)增強(qiáng)熱穩(wěn)定性。

一方面各種合金化方法通常用于降低再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，這是因?yàn)槿苜|(zhì)原子會(huì)抑制晶界遷移率[33-34]。也可以在不改變材料成分的情況下，采用低能邊界(如孿晶邊界和小角度晶界)是一種替代的穩(wěn)定策略，它們一般很難再結(jié)晶[35-37]。比如2018年盧柯團(tuán)隊(duì)在塑性變形制備的納米晶純銅中發(fā)現(xiàn)了納米晶熱穩(wěn)定性存在反常晶粒尺寸效應(yīng)，小于臨界尺寸情況下，從晶界發(fā)射層錯(cuò)或?qū)\晶而達(dá)到低能態(tài)，晶界機(jī)械弛豫啟動(dòng)，納米晶的熱穩(wěn)定性不降反升[38]。2020年該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)快速加熱的納米晶銅在高達(dá)0.6Tm的溫度下保持穩(wěn)定，甚至高于變形粗晶銅的再結(jié)晶溫度，高密度納米材料產(chǎn)生的熱晶界弛豫為穩(wěn)定納米結(jié)構(gòu)材料提供了另一途徑[39]。

另一方面為了彌補(bǔ)關(guān)鍵性能和改進(jìn)微觀結(jié)構(gòu)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種改進(jìn)的激光噴丸技術(shù)，具有冷加工量低、高密度位錯(cuò)和強(qiáng)滑移帶、沉淀物釘扎[25]等特征。

研究者們對(duì)各種材料進(jìn)行了熱輔助激光噴丸(Warm laser shock peening，WLSP)，即在高溫下進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)室溫處理相比，AA7075合金[40]和Ti-6Al-4V合金[41]的顯微組織穩(wěn)定性和表面強(qiáng)度顯著提高，分析是由于析出物和亞晶形成的釘扎效應(yīng)。此外，發(fā)現(xiàn)熱工程-激光噴丸(Thermal engineered LSP，TE-LSP)是單個(gè) WLSP 和后續(xù)一步退火的組合，也可以增加沉淀物的釘扎效應(yīng)[42]。某公司開(kāi)發(fā)了一種改進(jìn)的激光噴丸技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了在每個(gè)單獨(dú)的激光沖擊之間進(jìn)行的循環(huán)激光處理和間歇熱處理，提出了激光噴丸+熱顯微結(jié)構(gòu)工程(Thermal microstructure engineering LSP，TME-LSP[43])，通過(guò)重復(fù)的塑性應(yīng)變輸入和沉淀釘扎效應(yīng)改變中間相沉淀動(dòng)力學(xué)亦達(dá)到良好穩(wěn)定性。在處理時(shí)，較高的溫度可能通過(guò)誘導(dǎo)更有效的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效而導(dǎo)致較高的位錯(cuò)密度，但也會(huì)由于熱退火效應(yīng)而導(dǎo)致較低的位錯(cuò)密度。同時(shí)存在動(dòng)態(tài)析出硬度提升—熱軟化、殘余壓應(yīng)力層加深—壓應(yīng)力降低之間的矛盾，選擇合適的溫度以獲得最佳結(jié)果十分關(guān)鍵。

目前各種合金化方法起到釘扎晶界遷移但力學(xué)或化學(xué)性能會(huì)惡化；引入低能界面是一種不改變化學(xué)成分同時(shí)提高納米材料穩(wěn)定性的方法，低能態(tài)界面的形成是納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵，但還需進(jìn)一步探索納米尺度的界面結(jié)構(gòu)-特性關(guān)系和創(chuàng)新用于定制低能邊界特性的加工技術(shù)來(lái)提高表面納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；針對(duì)為提高熱穩(wěn)定性改進(jìn)的LSP工藝，有益的微觀結(jié)構(gòu)是均勻分布的位錯(cuò)和高密度納米析出物，有關(guān)加工溫度和激光參數(shù)如何影響成核過(guò)程以及高密度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步研究。

考慮到LSP致表面納米化會(huì)引入高密度晶界充當(dāng)原子擴(kuò)散的快速通道，降低擴(kuò)散激活能，將滲氮工藝引入LSP可有效提高滲氮效率并降低滲氮的溫度、時(shí)間等。滲氮后保留基體的梯度納米晶結(jié)構(gòu)，滲氮在鈦合金表面生成外層為TiN、中間層為 Ti2N (高熔點(diǎn)、高硬度的間隙化合物)、內(nèi)層為 α-Ti/β-Ti(N)固溶體的多級(jí)滲氮層[44]。滲氮可能對(duì)穩(wěn)定納米晶發(fā)揮顯著作用：①材料內(nèi)部獲得了更高的氮濃度，大量位錯(cuò)、晶界提供形核位置促進(jìn)第二相微粒形核，增加了從過(guò)飽和狀態(tài)固溶體中析出彌散氮化物的數(shù)量，這些氮化物 TiN、Ti2N的存在對(duì)周邊位錯(cuò)及晶界釘扎，阻礙位錯(cuò)滑移及晶界遷移[45]；②固溶體中固溶N原子在晶界區(qū)均勻分布。在熱驅(qū)動(dòng)作用下，發(fā)生晶內(nèi)擴(kuò)散的N會(huì)偏聚于晶界區(qū)，使晶界區(qū)溶質(zhì)原子量增多，晶格發(fā)生畸變，降低原子的擴(kuò)散速度，對(duì)晶界遷移起到一定的阻礙作用[46]。LSP結(jié)合滲氮為達(dá)到固定表層梯度納米晶及實(shí)現(xiàn)基材粗化—滲氮?jiǎng)恿W(xué)間平衡的目的，需對(duì)滲氮溫度進(jìn)行合理選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

鈦合金因比強(qiáng)度高、延展性好、耐腐蝕性能優(yōu)異得到諸多應(yīng)用，然而目前傳統(tǒng)工藝加工生產(chǎn)復(fù)雜形狀鈦合金零件存在困難(高熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性差、高應(yīng)變硬化率)，增材制造鈦合金及LSP后處理有助于靈活的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)鈦合金及對(duì)其性能進(jìn)行提升，LSP可誘導(dǎo)鈦合金表面為納米晶層的梯度結(jié)構(gòu)微觀組織，引入高密度晶界位錯(cuò)等熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)組織。表面納米晶的熱穩(wěn)定性是 LSP 在高溫條件下應(yīng)用的先決條件。

目前的研究結(jié)果大多還是基于實(shí)驗(yàn)室條件下得出的，有關(guān)增材制造鈦合金及LSP的表面納米化處理技術(shù)還處在發(fā)展階段，離實(shí)際工程成熟應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，在將來(lái)相關(guān)研究中可以關(guān)注以下幾個(gè)方面內(nèi)容：

1) 目前對(duì)于LSP在增材制造鈦合金中的應(yīng)用，應(yīng)對(duì)相關(guān)打印參數(shù)、LSP參數(shù)、晶粒尺寸、加熱溫度、保溫時(shí)間等方面進(jìn)一步研究，定量分析參數(shù)間關(guān)系，尋求最佳數(shù)集，促進(jìn)打印鈦合金零件獲得更加穩(wěn)定的梯度納米晶層和優(yōu)異性能。

2) 當(dāng)前工作主要集中在受暴露時(shí)間和施加溫度影響的熱松弛研究上，應(yīng)開(kāi)展進(jìn)一步的工作來(lái)研究接近實(shí)際服役環(huán)境的機(jī)械負(fù)載和熱負(fù)載對(duì)LSP組織性能的影響，進(jìn)一步促進(jìn)增材制造鈦合金經(jīng)LSP后處理的真實(shí)環(huán)境運(yùn)用。

3) 化學(xué)表面處理如滲氮和LSP結(jié)合，有可能通過(guò)多種機(jī)理起到固化表層結(jié)構(gòu)的作用，在更高使用溫度下，有望仍然能夠兼具優(yōu)良塑性和較高的強(qiáng)度，并有助于鈦合金獲得更高耐磨性。

若要在實(shí)際工程中擴(kuò)大LSP在增材制造鈦合金上的使用，需對(duì)LSP及增材制造鈦合金工藝本身以及熱處理?xiàng)l件、鈦合金材料特性等因素的影響有全面嚴(yán)格的了解。根據(jù)模擬和試驗(yàn)研究結(jié)果建立AM(Ti alloy)-LSP-Thermostablity數(shù)據(jù)庫(kù)，將有助于預(yù)測(cè)多種不同情況下的結(jié)果和應(yīng)用材料的有效使用，這還需要學(xué)術(shù)界和工程界的研究人員和工程師共同努力。