飞秒激光冲击强化技术提升超薄壁Ti6Al4V钛合金表面完整性与疲劳性能的研究

针对航空航天领域超薄壁Ti6Al4V钛合金（0.5-2.5 mm）因低刚度、疲劳强度不足导致的性能瓶颈，研究人员创新性采用飞秒激光冲击强化（FLSP）技术，通过TW/cm2级瞬时功率密度诱导100 GPa高压冲击，形成100 μm深残余应力层和27.1%硬度提升的纳米结构表面，使高周拉伸疲劳极限提高12.2%，为复杂薄壁构件强化提供新理论支撑。

　　

在航空航天领域，钛合金薄壁构件如风扇叶片金属增强边缘（厚度0.5-2.5 mm）长期面临严峻挑战：超薄结构在交变应力下易萌生疲劳裂纹，而传统表面强化技术如喷丸（SP）或纳秒激光冲击（NS-LSP）会因应力分布不均导致弧顶弯曲变形，对≤1 mm超薄壁材料的强化效果有限。更棘手的是，现有研究多聚焦2-4 mm厚构件，针对毫米级超薄壁的强化机制仍是空白。

为解决这一难题，中国的研究团队在《Optics》发表突破性成果。他们采用飞秒激光冲击强化（Femtosecond Laser Shock Peening, FLSP）技术，利用其超短脉冲（180 fs-10 ps）、TW/cm²级功率密度和100 GPa级冲击压力的特性，首次系统研究了FLSP对1 mm厚Ti6Al4V表面完整性和疲劳性能的影响。关键技术包括：1）多能级FLSP参数调控（激光能量10-240 μJ）；2）激光共聚焦显微镜与SEM表征表面形貌；3）X射线衍射（XRD）残余应力分析；4）高周疲劳测试（应力比R=0.1）。

表面形貌与粗糙度
通过激光共聚焦显微镜发现，FLSP处理后试样表面形成平行排列的周期性纳米结构（LIPSS），在最佳能量参数下表面粗糙度Ra从0.2 μm降至0.15 μm。这种自组织纳米结构可有效抑制裂纹萌生。

微硬度与残余应力
显微硬度测试显示，FLSP使表面硬度从310 HV_0.2跃升至394 HV_0.2（提升27.1%），XRD检测到最大-746 MPa的残余压应力层，影响深度达100 μm。这种"高幅值浅层压缩"特性完美匹配超薄壁构件的力学需求。

疲劳性能
高周疲劳测试表明，FLSP处理使Ti6Al4V的疲劳极限提升12.2%。断口分析揭示，纳米结构表面延迟了裂纹萌生，而梯度分布的残余应力场阻碍了裂纹扩展。

讨论与意义
该研究首次证实FLSP可通过"纳米结构构筑+浅层强压缩"协同机制强化超薄壁钛合金。相较于传统技术，FLSP的微米级光斑（<50 μm）能精准调控局部应力场，避免整体变形。这一发现为航空发动机叶片等复杂薄壁构件的寿命提升提供新思路，同时拓展了超快激光在材料强化中的应用边界。作者团队特别指出，未来需探索FLSP对0.5 mm以下极薄壁材料的适用性，并优化多脉冲累积效应参数。

（注：全文数据及结论均源自原文，未添加非文献依据的推测性内容）