北航和航空625所《Acta Materialia》：钛合金激光冲击强化响应的微尺度研究

2024-10-09 17:30:04 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

激光冲击强化（laser shock peening, 简称LSP）是一种表面处理技术，通常应用于飞机机身、航空发动机压气机叶片（主要材料为钛合金）等结构，用于提升结构的抗疲劳、抗腐蚀等力学性能。尽管这种提升作用可归因于材料强化区域微观结构的演化，但不同LSP参数下的微观结构特征和响应极为复杂，导致材料在宏观尺度上的力学行为不同。此外，LSP持续时间极短，也给捕捉材料表层微观结构演变带来了相当大的挑战。

为了解决上述问题，北京航空航天大学宇航学院李睿智副教授团队联合中国航空制造技术研究院孙汝剑高级工程师团队，基于一维冲击波传播理论建立了分子动力学（MD）模拟和LSP冲击过程中应力波的传播模型，将MD模拟的微观加载参数与LSP实验的宏观加工参数进行了对应。随后通过分子动力学（MD）模拟的方法探究了不同激光能量密度LSP作用下单晶α-钛微观结构的演化过程，并使用透射电子显微镜（TEM）观察了LSP处理钛合金试验件的微观组织，阐明了激光能量密度和α-钛塑性变形区微观结构演化的关系。论文基于施密德因子和能量势垒提出了能量驱动的微尺度塑性变形机制，为优化LSP工艺参数改善材料的力学性能奠定了基础。

相关研究成果以“Atomistic insight into laser shock peening response of α-titanium: an experimentally verified simulation study”为题发表在金属领域权威期刊《Acta Materialia》上。

论文连接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120359

图1 激光能量密度与微观组织演变的关系

使用活塞冲击法对单晶α-钛模型开展MD模拟，通过1D binning analysis方法提取了冲击过程中模型晶体内各种物理量（原子速度、应力、压强等）沿冲击方向的演变规律，获得了单晶α-钛冲击响应的微尺度原位信息。

图2 使用活塞冲击法对α-钛模型开展MD模拟

通过MD模拟分析LSP过程中α-钛微观结构的演化过程，当冲击速度U_P = 0.9 km/s时，{01-10}<2-110>滑移系被触发，在α-钛晶体的塑性变形区，位错形核、增殖、滑移、形成位错纠缠，主导了晶体在冲击过程中的塑性变形。

图3 MD模拟LSP过程中α-钛微观结构的演化过程（冲击速度0.9km/s，对应激光能量密度14.16GW/cm²）

基于一维冲击波传播理论，建立了MD和LSP冲击过程中应力波的传播模型，将MD模拟的微观加载参数与LSP实验的宏观加工参数进行了对应。

图4 MD和LSP冲击过程中应力波的传播模型：(a) MD模型；(b) LSP模型

使用透射电子显微镜（TEM）表征了使用不同激光能量密度LSP处理的TA15钛合金样品。当激光能量密度I₀ = 13.26GW/cm²时，观察到取向为[2-110]的晶粒的晶界附近出现了晶格重定向和位错纠缠的特征，与MD模拟观测到的现象一致。

图5 使用透射电子显微镜（TEM）表征LSP处理的TA15钛合金样品（激光能量密度13.26GW/cm²）：(a) 晶格重定向特征；(b) 晶界附近的位错纠缠 (c) MD模拟中观测到的晶格重定向和位错纠缠

基于施密特因子和能量势垒建立了α-钛激光冲击强化过程中的能量驱动的微尺度塑性变形机制，通过计算α-钛的主要滑移系和孪晶系的施密特因子及广义层错能，讨论了不同冲击能量密度下α-钛晶体内不同微观组织演化的原因。由于更大的施密特因子和更低的能量势垒，{10-12}<-1011>孪晶系在冲击能量较低时即被触发；当能量密度达到{1-100}<11-20>位错滑移系的触发势垒时，位错取代孪晶及其相应的晶格重定向过程成为塑性变形的主导；当能量密度达到32GPa左右时，α-钛稳定的晶体结构被摧毁，逐渐向晶格无序化方向演化。