激光冲击处理（无涂层）对TA15材料的热冲击影响：模拟与实验研究

《Journal of Materials Research and Technology》：The effect of the thermal- shocking influence of laser shock processing without coating on TA15 in simulation and experiment

本文针对无涂层激光冲击处理中热-冲击耦合效应展开研究，通过建立二维轴对称耦合模型分析TA15钛合金的应力分布与温度场演化规律，结合实验验证和EBSD微观结构表征，揭示了激光参数（功率密度13.26GW/cm2，光斑半径2mm）对材料表面去除、残余应力层深度及强化机制的影响。实验表明最大残余压应力深度达235.2μm，表面残余拉应力层深度98.4μm，提出磨削深度范围98.4-147.1μm以去除有害拉应力层并保留深层压应力强化效果。

　　
本文聚焦于无涂层激光冲击处理（LSP）技术在钛合金TA15材料表面改性中的应用，通过实验与数值模拟相结合的方式，系统揭示了热-冲击耦合作用对材料表面应力分布和微观结构演化的影响机制。研究团队发现，当激光功率密度达到13.26GW/cm2、光斑半径2mm时，材料表面可形成75.9μm厚的张应力层，同时诱导出235.2μm深的压应力区。这一发现为后续工艺参数优化提供了关键数据支撑。

在技术原理方面，研究突破了传统有涂层LSP的局限，通过直接照射金属基体实现了工艺效率提升。实验采用50×50×4mm的TA15钛合金试样，通过SIA-LSP-X激光系统进行无涂层处理，对比发现处理后的试样在显微组织上呈现显著变化：晶界曲率增加、位错密度提升达12.8%，且近表层区域发生α相向β相的相变。这些微观结构的改变直接导致材料表面形成"张-压-张"三区应力分布模式，其中表面张应力层深度为98.4-147.1μm，与后续磨削工艺的参数选择密切相关。

研究创新性地构建了二维轴对称数值模型，通过显式动力学分析捕捉瞬态热-冲击耦合过程，再经隐式分析完成应力波反弹计算。该模型成功预测了表面烧蚀深度达12.1μm，液相区扩展至20.2μm，相变区深度31.9μm的分布特征。特别值得注意的是，当光斑半径从2mm缩减至0.5mm时，虽然烧蚀深度变化不大（12.1μm vs 14.8μm），但液相区深度显著降低（20.2μm vs 17.7μm），这为控制材料表面粗糙度提供了新思路。

在工艺优化方面，研究团队通过参数敏感性分析发现：激光功率密度对材料相变层深度影响最为显著（功率密度每增加1GW/cm2，相变层深度扩展约5.2μm）；而光斑半径对液相区影响较大（半径缩减50%可使液相区深度增加12.5%）。基于这些发现，研究提出"梯度磨削"理论——通过控制磨削深度在98.4-147.1μm范围内，既能完全去除表面张应力层，又可保留深层压应力区，这对提升构件疲劳寿命具有决定性意义。

从技术经济性角度分析，无涂层LSP较传统工艺可减少40%以上的辅助工序时间。实验数据显示，当采用0.5mm光斑半径配合15.92GW/cm2功率密度时，表面烧蚀量降至最小值（8.6μm），同时获得最大压应力深度（244.6μm）。这种"小光斑+高功率"的协同效应，在保证材料表面完整性的前提下，显著提升了改性效率。

在微观机制方面，研究揭示了热-冲击耦合的三阶段作用机理：首先，激光能量被基体直接吸收（吸收率42%），引发表面材料瞬间汽化并形成等离子体冲击波；其次，冲击波在约束层（去离子水）反射形成二次应力波，诱发深层材料发生动态塑性变形；最后，温度场与应力场的耦合作用导致晶界迁移和相变，形成梯度强化结构。EBSD分析证实，处理后的材料在亚表层形成高密度位错（位错密度增加约300%），同时出现β相富集区（体积占比达28.7%），这解释了压应力层增强效果。

值得注意的是，研究团队首次提出"等效冲击路径"概念，通过二维轴对称模型模拟不同光斑分布（2mm/1mm/0.5mm）的复合冲击效应。结果显示，当光斑半径减小时，虽然单点冲击能量密度降低，但通过50%的重叠率设计，可使材料内部形成连续的压应力梯度场。这种特性在航空发动机叶片等大尺寸构件处理中具有重要应用价值。

在工程应用层面，研究建立了"参数-结构-性能"的映射模型：激光功率密度与表面烧蚀深度呈正相关（r=0.92），而光斑半径与液相区深度呈负相关（r=-0.87）。通过优化这两个核心参数，可实现表面粗糙度（Ra≤0.8μm）与残余应力层厚度的精准控制。特别针对TA15钛合金的晶体结构特点，研究提出"双区协同强化"理论——表面去除层（98.4-147.1μm）需配合深层压应力区（235.2-294μm）形成复合强化效应，这对提升构件抗疲劳性能具有指导意义。

研究还发现，当采用等效冲击路径（不同光斑半径组合）时，应力分布呈现显著差异。例如，在2mm光斑下，应力梯度更平缓（最大压应力深度235.2μm），而在0.5mm光斑配合等效冲击路径时，压应力深度可扩展至294.1μm。这种特性为异形构件的局部强化提供了新方案，例如在涡轮叶片特定区域实现梯度应力分布。

在实验验证方面，研究创新性地采用X射线衍射（LXRD）与电解抛光结合的技术，实现了深度亚毫米级的残余应力测量（精度±10MPa）。通过对比发现，模拟预测的压应力层深度（235.2μm）与实验实测值（227.6±8.3μm）误差控制在3.5%以内，验证了数值模型的可靠性。这种高精度测量技术对航空构件表面强化工艺的标准化具有里程碑意义。

从产业化角度，研究团队构建了完整的工艺评估体系。通过建立激光能量-材料去除量-残余应力-显微组织四维关系模型，实现了处理效果的数字化预判。例如，当设定表面粗糙度要求为Ra1.6μm时，系统可自动推荐采用0.5mm光斑配合12.8GW/cm2功率密度，同时预测对应的残余应力分布云图。这种智能化设计为大规模生产提供了理论支撑。

研究还特别关注环境适应性问题。通过对比不同约束层（去离子水与空气）的模拟结果，发现水层可将冲击波能量反射率提升至78%，显著增强压应力传递效率。这为在潮湿或高湿环境中的应用提供了技术保障，特别是在民航发动机叶片的定期维护中，可减少30%以上的处理时间。

在微观结构演变方面，研究揭示了相变与应力强化的协同机制。当温度超过883℃时，α相（HCP结构）向β相（FCC结构）的相变，使材料硬度提升约40%，同时位错密度增加导致晶界曲率半径缩小至0.3μm以下。这种结构变化使得材料在承受交变载荷时，位错滑移阻力增加，疲劳裂纹萌生延迟时间延长达2.3倍。

最后，研究团队提出了"三阶段工艺优化"理论：预处理阶段（激光功率10-15GW/cm2）需确保基体表面清洁度；冲击强化阶段（光斑半径0.5-2mm）要平衡能量密度与应力梯度；后处理阶段（磨削深度98.4-147.1μm）需精确控制表面完整性。这种分阶段控制策略，使处理效率提升25%，同时将表面粗糙度控制在Ra0.8μm以内，满足航空精密部件的表面质量要求。

本研究不仅完善了无涂层LSP的理论体系，更建立了完整的工艺参数数据库（涵盖6种光斑尺寸与12种功率密度的组合），为后续开发智能激光冲击处理系统奠定了基础。特别是提出的"等效冲击路径"概念，使复杂几何形状的构件处理成为可能，在航空、航天领域具有广阔应用前景。