喷丸处理改善钛合金增材修复件的表面完整性及高周疲劳性能

非均匀结构与残余应力显著限制了钛合金增材修复构件的疲劳性能。本研究针对电弧增材修复钛合金构件实施喷丸（Shot Peening, SP）表面处理以提升其服役寿命，并揭示了表面完整性与疲劳性能的改善机制。结果表明，喷丸处理在修复构件内部诱发高密度位错，持续的位错演化导致微观组织显著细化，形成的纳米级孪晶与层错（Stacking Faults, SFs）等精细结构沿特定深度方向呈梯度分布。该梯度结构的硬度与残余压应力（Compressive Residual Stress, CRS）显著提升，影响深度超过200 μm。得益于梯度微观组织与残余压应力的协同作用，构件的瞬断区面积由2.726 mm2缩减至2.094 mm2，裂纹萌生位置由自由表面转移至距表面约103.46 μm的亚表层，最终使修复构件的疲劳极限提升至602.16 MPa。

《喷丸诱导梯度结构提升钛合金增材修复件高周疲劳性能的机制研究》论文解读

研究背景与意义

电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）技术凭借高材料利用率与成形自由度，在航空航天钛合金构件修复再制造领域具有重要应用前景。然而，修复过程中固有的非均匀微观组织与复杂残余应力导致修复构件的疲劳性能显著低于传统锻件，严重制约了其工程化应用。高周疲劳是航空发动机钛合金构件的主要失效模式，因此，如何有效调控修复区域的表面完整性以抑制疲劳损伤，成为亟待解决的关键科学问题。本研究由北京航空航天大学机械工程及自动化学院的研究人员开展，相关成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》。研究人员针对Ti17钛合金增材修复件，采用喷丸（SP）技术构建了表面梯度强化层，阐明了其对微观组织演变及高周疲劳性能的调控机理，为提升航空钛合金修复构件的可靠性提供了理论支撑。

主要关键技术方法

研究人员选用Ti17钛合金作为基体，采用WAAM技术进行修复，焊后实施650 ℃/2 h真空去应力退火。喷丸处理采用直径0.3 mm陶瓷丸，强度0.25 N，覆盖率100%。微观表征方面，利用电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）分析晶体取向与晶界特征，透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）观测纳米级位错、孪晶及层错结构；力学性能测试涵盖显微维氏硬度梯度分布与X射线衍射残余应力（Residual Stress, RS）分析；疲劳性能评估依据升降法测定旋转弯曲疲劳极限，并通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）观察断口形貌以解析失效机制。

研究结果

3.1 微观组织演变

增材修复构件由修复区（Additive Zone, AZ）、热影响区（Heat-Affected Zone, HAZ）与基体（Base Metal, BM）组成。喷丸处理后，各区域近表层位错密度急剧升高，小角度晶界（Low-Angle Grain Boundaries, LAGBs）比例分别增加452%、295%与155%，核平均取向差（Kernel Average Misorientation, KAM）值显著提升，α相尺寸大幅细化。TEM分析进一步揭示，喷丸诱发的塑性变形导致密排六方（Hexagonal Close-Packed, HCP）结构向面心立方（Face-Centered Cubic, FCC）结构转变。AZ中观察到少量层错与纳米孪晶，HAZ中以高密度层错为主，而BM中则形成了大量纳米孪晶，证实了不同初始组织区域的微观演化具有显著差异。

3.2 显微硬度与残余应力演化

喷丸处理通过加工硬化效应显著提升了表面硬度。AZ、HAZ与BM的表面硬度分别达到416.78 HV、467.25 HV与442.29 HV。同时，梯度硬化层形成，其深度分别约为200 μm、220 μm与250 μm。在残余应力方面，喷丸使表面残余压应力（CRS）从接近零或拉应力状态大幅提升至-552.8 MPa、-575.8 MPa与-574.1 MPa，最大压应力值可达-759.0 MPa，影响深度均超过140 μm。

3.3 疲劳极限与断口形貌

经喷丸处理后，Ti17修复构件的旋转弯曲疲劳极限由588.09 MPa提升至602.16 MPa。断口分析表明，未处理试样裂纹源于表面，瞬断区面积为2.726 mm²；而喷丸处理后，裂纹萌生位置转移至距表面约103.46 μm的亚表层，瞬断区面积缩减至2.094 mm²，且裂纹扩展区的二次裂纹更为显著，证明了喷丸有效抑制了疲劳裂纹的萌生与扩展。

讨论与结论总结

讨论部分指出，喷丸诱发的梯度结构通过细晶强化与位错强化阻碍位错运动，提高了疲劳裂纹萌生阈值。HAZ中较高的堆垛层错能（Stacking Fault Energy, SFE）抑制了位错增殖，导致其组织细化速率低于AZ。此外，CRS与梯度结构的协同作用是性能提升的关键：表面高压应力抵消了部分交变载荷，而内部较低的应力状态促使裂纹源向内部转移。纳米孪晶与层错的梯度分布进一步优化了强韧性匹配。

结论部分可归纳为四点：

（1）喷丸在修复构件表层引入了厚度显著的梯度结构，α相被位错分割细化，且越靠近表层组织越细小。

（2）不同区域的微观响应具有异质性：AZ中主要为低密度孪晶与层错，HAZ中则为高密度层错，这与初始组织状态密切相关。

（3）喷丸后AZ、HAZ与BM的表面硬度分别达416.78 HV、467.25 HV与442.29 HV，表面CRS分别达-552.8 MPa、-575.8 MPa与-574.1 MPa，影响层深度均超过200 μm。

（4）喷丸将疲劳极限提升至602.16 MPa，瞬断区减小，裂纹萌生由表面转移至内部，这归因于梯度微观组织与CRS的协同增强效应。