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北航和航空625所《Acta Materialia》：鈦合金激光沖擊強(qiáng)化響應(yīng)的微尺度研究

2024-10-09 17:30:04 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

激光沖擊強(qiáng)化（laser shock peening, 簡(jiǎn)稱(chēng)LSP）是一種表面處理技術(shù)，通常應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身、航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片（主要材料為鈦合金）等結(jié)構(gòu)，用于提升結(jié)構(gòu)的抗疲勞、抗腐蝕等力學(xué)性能。盡管這種提升作用可歸因于材料強(qiáng)化區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)的演化，但不同LSP參數(shù)下的微觀結(jié)構(gòu)特征和響應(yīng)極為復(fù)雜，導(dǎo)致材料在宏觀尺度上的力學(xué)行為不同。此外，LSP持續(xù)時(shí)間極短，也給捕捉材料表層微觀結(jié)構(gòu)演變帶來(lái)了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

為了解決上述問(wèn)題，北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院李睿智副教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)航空制造技術(shù)研究院孫汝劍高級(jí)工程師團(tuán)隊(duì)，基于一維沖擊波傳播理論建立了分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬和LSP沖擊過(guò)程中應(yīng)力波的傳播模型，將MD模擬的微觀加載參數(shù)與LSP實(shí)驗(yàn)的宏觀加工參數(shù)進(jìn)行了對(duì)應(yīng)。隨后通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬的方法探究了不同激光能量密度LSP作用下單晶α-鈦微觀結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程，并使用透射電子顯微鏡（TEM）觀察了LSP處理鈦合金試驗(yàn)件的微觀組織，闡明了激光能量密度和α-鈦塑性變形區(qū)微觀結(jié)構(gòu)演化的關(guān)系。論文基于施密德因子和能量勢(shì)壘提出了能量驅(qū)動(dòng)的微尺度塑性變形機(jī)制，為優(yōu)化LSP工藝參數(shù)改善材料的力學(xué)性能奠定了基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果以“Atomistic insight into laser shock peening response of α-titanium: an experimentally verified simulation study”為題發(fā)表在金屬領(lǐng)域權(quán)威期刊《Acta Materialia》上。

論文連接：

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

圖1 激光能量密度與微觀組織演變的關(guān)系

使用活塞沖擊法對(duì)單晶α-鈦模型開(kāi)展MD模擬，通過(guò)1D binning analysis方法提取了沖擊過(guò)程中模型晶體內(nèi)各種物理量（原子速度、應(yīng)力、壓強(qiáng)等）沿沖擊方向的演變規(guī)律，獲得了單晶α-鈦沖擊響應(yīng)的微尺度原位信息。

圖2 使用活塞沖擊法對(duì)α-鈦模型開(kāi)展MD模擬

通過(guò)MD模擬分析LSP過(guò)程中α-鈦微觀結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程，當(dāng)沖擊速度U_P = 0.9 km/s時(shí)，{01-10}<2-110>滑移系被觸發(fā)，在α-鈦晶體的塑性變形區(qū)，位錯(cuò)形核、增殖、滑移、形成位錯(cuò)糾纏，主導(dǎo)了晶體在沖擊過(guò)程中的塑性變形。

圖3 MD模擬LSP過(guò)程中α-鈦微觀結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程（沖擊速度0.9km/s，對(duì)應(yīng)激光能量密度14.16GW/cm²）

基于一維沖擊波傳播理論，建立了MD和LSP沖擊過(guò)程中應(yīng)力波的傳播模型，將MD模擬的微觀加載參數(shù)與LSP實(shí)驗(yàn)的宏觀加工參數(shù)進(jìn)行了對(duì)應(yīng)。

圖4 MD和LSP沖擊過(guò)程中應(yīng)力波的傳播模型：(a) MD模型；(b) LSP模型

使用透射電子顯微鏡（TEM）表征了使用不同激光能量密度LSP處理的TA15鈦合金樣品。當(dāng)激光能量密度I₀ = 13.26GW/cm²時(shí)，觀察到取向?yàn)?/span>[2-110]的晶粒的晶界附近出現(xiàn)了晶格重定向和位錯(cuò)糾纏的特征，與MD模擬觀測(cè)到的現(xiàn)象一致。

圖5 使用透射電子顯微鏡（TEM）表征LSP處理的TA15鈦合金樣品（激光能量密度13.26GW/cm²）：(a) 晶格重定向特征；(b) 晶界附近的位錯(cuò)糾纏 (c) MD模擬中觀測(cè)到的晶格重定向和位錯(cuò)糾纏

基于施密特因子和能量勢(shì)壘建立了α-鈦激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中的能量驅(qū)動(dòng)的微尺度塑性變形機(jī)制，通過(guò)計(jì)算α-鈦的主要滑移系和孿晶系的施密特因子及廣義層錯(cuò)能，討論了不同沖擊能量密度下α-鈦晶體內(nèi)不同微觀組織演化的原因。由于更大的施密特因子和更低的能量勢(shì)壘，{10-12}<-1011>孿晶系在沖擊能量較低時(shí)即被觸發(fā)；當(dāng)能量密度達(dá)到{1-100}<11-20>位錯(cuò)滑移系的觸發(fā)勢(shì)壘時(shí)，位錯(cuò)取代孿晶及其相應(yīng)的晶格重定向過(guò)程成為塑性變形的主導(dǎo)；當(dāng)能量密度達(dá)到32GPa左右時(shí)，α-鈦穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)被摧毀，逐漸向晶格無(wú)序化方向演化。