北航和航空625所《Acta Materialia》：鈦合金激光沖擊強化響應的微尺度研究
2024-10-09 17:30:04
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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激光沖擊強化（laser shock peening, 簡稱LSP）是一種表面處理技術，通常應用于飛機機身、航空發動機壓氣機葉片（主要材料為鈦合金）等結構，用于提升結構的抗疲勞、抗腐蝕等力學性能。盡管這種提升作用可歸因于材料強化區域微觀結構的演化，但不同LSP參數下的微觀結構特征和響應極為復雜，導致材料在宏觀尺度上的力學行為不同。此外，LSP持續時間極短，也給捕捉材料表層微觀結構演變帶來了相當大的挑戰。為了解決上述問題，北京航空航天大學宇航學院李睿智副教授團隊聯合中國航空制造技術研究院孫汝劍高級工程師團隊，基于一維沖擊波傳播理論建立了分子動力學（MD）模擬和LSP沖擊過程中應力波的傳播模型，將MD模擬的微觀加載參數與LSP實驗的宏觀加工參數進行了對應。隨后通過分子動力學（MD）模擬的方法探究了不同激光能量密度LSP作用下單晶α-鈦微觀結構的演化過程，并使用透射電子顯微鏡（TEM）觀察了LSP處理鈦合金試驗件的微觀組織，闡明了激光能量密度和α-鈦塑性變形區微觀結構演化的關系。論文基于施密德因子和能量勢壘提出了能量驅動的微尺度塑性變形機制，為優化LSP工藝參數改善材料的力學性能奠定了基礎。相關研究成果以“Atomistic insight into laser shock peening response of α-titanium: an experimentally verified simulation study”為題發表在金屬領域權威期刊《Acta Materialia》上。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120359
使用活塞沖擊法對單晶α-鈦模型開展MD模擬，通過1D binning analysis方法提取了沖擊過程中模型晶體內各種物理量（原子速度、應力、壓強等）沿沖擊方向的演變規律，獲得了單晶α-鈦沖擊響應的微尺度原位信息。
通過MD模擬分析LSP過程中α-鈦微觀結構的演化過程，當沖擊速度UP = 0.9 km/s時，{01-10}<2-110>滑移系被觸發，在α-鈦晶體的塑性變形區，位錯形核、增殖、滑移、形成位錯糾纏，主導了晶體在沖擊過程中的塑性變形。
圖3 MD模擬LSP過程中α-鈦微觀結構的演化過程（沖擊速度0.9km/s，對應激光能量密度14.16GW/cm2）基于一維沖擊波傳播理論，建立了MD和LSP沖擊過程中應力波的傳播模型，將MD模擬的微觀加載參數與LSP實驗的宏觀加工參數進行了對應。
圖4 MD和LSP沖擊過程中應力波的傳播模型：(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。當激光能量密度I0 = 13.26GW/cm2時，觀察到取向為[2-110]的晶粒的晶界附近出現了晶格重定向和位錯糾纏的特征，與MD模擬觀測到的現象一致。
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) 晶界附近的位錯糾纏 (c) MD模擬中觀測到的晶格重定向和位錯糾纏基于施密特因子和能量勢壘建立了α-鈦激光沖擊強化過程中的能量驅動的微尺度塑性變形機制，通過計算α-鈦的主要滑移系和孿晶系的施密特因子及廣義層錯能，討論了不同沖擊能量密度下α-鈦晶體內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壘，{10-12}<-1011>孿晶系在沖擊能量較低時即被觸發；當能量密度達到{1-100}<11-20>位錯滑移系的觸發勢壘時，位錯取代孿晶及其相應的晶格重定向過程成為塑性變形的主導；當能量密度達到32GPa左右時，α-鈦穩定的晶體結構被摧毀，逐漸向晶格無序化方向演化。
圖6 施密特因子和廣義層錯能的計算：(a){1-100}<11-20>位錯滑移系施密特因子的計算模型；(b){10-12}<-1011>孿晶系施密特因子的計算模型；(c){1-100}<11-20>位錯滑移系的廣義層錯能的計算
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