长安大学 | SCT | 激光冲击让3D打印高温合金耐磨性飙升73.6%！

抖音热门 2025年08月08日 11:02 1 admin

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长三角G60激光联盟陈长军转载

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本文研究了利用激光冲击强化(LSP)技术提升电子束粉末床熔融(EBPBF)制造的难焊接IN738镍基高温合金在600°C高温干滑动磨损性能的机制，揭示了LSP通过诱导毫米尺度的工作硬化层(包含高密度位错对、层错、洛默-科特雷尔锁等缺陷结构)和残余压应力，协同促进了表面均匀氧化层的形成，从而将磨损机制从粘着磨损转变为磨粒磨损和氧化磨损，显著降低了摩擦系数(降幅达23.6%)和磨损率(降幅达73.6%)，为增材制造高性能航空部件结合表面强化技术提供了重要的理论和实验依据

[ 文章信息在文末 ]

部分内容

图文解读

图1展示了样品制备和有限元模拟模型。(a) 示意图描绘了EBPBF设备的基本组成，包括电子枪、真空室、粉末供给系统（粉斗、铺粉系统）和构建平台上的基板与成形件。(b) 示意图说明了LSP处理的策略，激光脉冲通过约束层（如水）和吸收层作用于样品表面，产生冲击波。(c) 显示了用于模拟LSP处理后残余应力场分布的有限元网格模型，模型尺寸为14x14x3 mm³，并在中心区域（5x5 mm²）应用了精细网格。

图4通过电子背散射衍射（EBSD）表征了LSP处理前后的晶粒结构。(a) 沿构建方向（BD）的反极图（IPF）显示EBPBF IN738合金具有典型的柱状晶结构，且LSP处理未改变此基本结构。(b) (001)极图证实了材料存在强烈的<001>纤维织构，LSP处理也未改变织构。(c) 晶粒短轴长度的统计分析表明，不同LSP参数处理的样品晶粒尺寸变化很小，未观察到LSP诱导的表面纳米晶化现象。

图5展示了EBSD的核平均取向差（KAM）分析结果。(a) KAM图直观地显示了局部塑性变形程度，并用虚线划分了三个区域，标注了区域平均KAM值，可见KAM值沿LSP方向（从表面向内部）梯度降低。(b) 整个扫描区域的平均KAM值比较显示，LSP处理后KAM值显著增加，且随冲击次数和激光能量增加而增大（如LSP-5J-1最高）。(c, d) 分区域和不同参数下的KAM值对比进一步证实了塑性变形程度（与几何必需位错密度GND正相关）随LSP参数增强而增大，并在近表面区域最高。

图9呈现了磨损测试后的表面轮廓分析。(a) 磨损轨迹的3D表面形貌重建图清晰显示，未处理样品（AR）的磨损轨迹最宽最深，而LSP处理后的样品磨损轨迹显著变窄变浅，其中LSP-5J-1样品效果最佳。(b) 沿(a)图中虚线提取的2D截面深度轮廓图定量对比了不同样品的磨损宽度和深度（具体数据见表4），直观展示了LSP对减轻磨损深度的效果。(c) 磨损率的计算和对比图表明，LSP处理显著降低了磨损率，且降低幅度随冲击次数和激光能量增加而增大，LSP-5J-1样品的磨损率最低，比AR样品降低了73.6%。

图13展示了LSP处理诱导残余应力场的有限元模拟结果。(a) 分别显示了截面平面（上排）和样品表面（下排）的残余应力分布云图，表明应力分布相对不均匀。(b) 表面平均残余应力的统计显示，不同LSP参数处理的样品在表面产生了相似的残余压应力（CRS），平均值约为-221.45 ± 10.87 MPa。(c) 沿LSP方向（深度方向）的残余应力分布曲线显示，所有样品在近表面的CRS量级相似，但CRS影响的最大深度随冲击次数和激光能量的增加而增加。

图14示意图总结了AR样品和耐磨性最佳的LSP-5J-1样品在600°C干滑动磨损条件下的磨损机制。(a) AR样品：表面硬度低，易塑性变形和材料损失；形成的氧化层不均匀、结合差，易破裂产生片状磨屑和材料剥落，主要机制为粘着磨损。(b) LSP-5J-1样品：LSP诱导的工作硬化层和残余压应力增强了抗塑性变形能力和氧化层结合力；高密度位错提供了快速氧扩散通道，促进形成均匀致密的氧化层，具有自润滑作用，有效减少磨屑和剥落；主要机制转变为磨粒磨损和氧化磨损。

全文总结

本研究发现，激光冲击强化（LSP）虽增加了EBPBF制造的IN738镍基高温合金的表面粗糙度，但未改变其柱状晶结构和<001>织构；LSP通过在材料近表面诱导毫米级深度的工作硬化层（位错密度显著增加，包含位错对、层错、洛默-科特雷尔锁等结构）和残余压应力，显著提升了材料在600°C的耐磨性。其中，5J激光能量单次冲击（LSP-5J-1）效果最优，表面显微硬度提升14.4%，平均摩擦系数降低23.6%，磨损率大幅降低73.6%。这种提升源于工作硬化层和残余压应力的协同作用，它们改变了磨损机制（从粘着磨损变为磨粒磨损和氧化磨损），同时LSP诱导的高密度位错结构为氧的快速内扩散提供了通道，促进了均匀保护性氧化层的形成，其自润滑效应进一步降低了摩擦系数和磨损。

长三角G60激光联盟陈长军转载

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