摘要：上海交通大学、宝山钢铁股份有限公司、苏州大学、美国内华达大学、宝武特种冶金有限公司、上海市激光智能制造工程技术研究中心的科研人员综述报道了激光冲击处理钛合金：微观结构演变与工程性能提升研究进展。相关论文以“Laser shock processing of t
长三角G60激光联盟导读
上海交通大学、宝山钢铁股份有限公司、苏州大学、美国内华达大学、宝武特种冶金有限公司、上海市激光智能制造工程技术研究中心的科研人员综述报道了激光冲击处理钛合金：微观结构演变与工程性能提升研究进展。相关论文以“Laser shock processing of titanium alloys: A critical review on the microstructure evolution and enhanced engineering performance”为题发表在《Journal of Materials Science & Technology》上。
钛（Ti）及其合金因其高比强度和优异耐腐蚀性，常作为关键材料广泛应用于工程领域。与传统表面强化技术相比，激光冲击强化（LSP）能显著提升钛及其合金的表面强度、生物相容性、抗疲劳与耐腐蚀性能，日益受到学术界与工业界的关注。尽管近年来已有大量研究探讨LSP对钛合金微观结构演变及力学性能的影响，但针对该领域最新进展的系统综述仍属空白。本文详细讨论了标准LSP工艺及热场辅助、深冷场辅助、电脉冲辅助和磁场辅助等新型LSP工艺设计，并对其进行了对比分析；重点综述了钛合金LSP处理过程中的位错动力学、变形孪生、晶粒细化和表面非晶化等微观结构演变特征；系统总结了LSP处理钛合金在表面硬度、耐磨性、疲劳寿命和耐蚀性等方面的工程性能提升。最后，本文总结了该领域当前面临的挑战，并对未来发展趋势进行了展望。
关键词：激光冲击强化；钛合金；微观结构演变；力学性能
图1.钛合金的典型分类、表面处理技术及应用。
图2. (a)LSP实验装置示意图；(b) Fabbro模型估算的激光强度对LSP实验中冲击波压力时间演化的影响。
图3.(a)WLSP工艺示意图；(b) 不同处理温度下WLSP试样表面残余应力分布。Ti64合金经(c) LSP与(d) WLSP处理的横截面显微结构。(e, f) 300°C WLSP处理后Ti64合金横截面的TEM图像。
图4.(a)MFLSP工艺示意图；(b) 障碍钉扎效应与(c) 轨道自旋耦合效应；(d) 外磁场激发后的障碍钉扎效应与(e) 轨道自旋耦合效应。KAM分布图：(f) 原始样品，(g) PMT处理，(h) MFLSP处理。晶粒尺寸分布热图：(i) 原始样品，(j) MFLSP处理。(k) 不同位置的表面硬度分布直方图。
图5.(a)LSP处理Ti64合金的逆极图与(b) 晶粒取向扩展图；(c) 亚晶粒的低倍明场TEM图像；(d) 样品中低角度亚晶界的EBSD逆极图彩色图像；(e–g) 样品位错结构分析。
图6.(a)LSP后TC21合金表面的层错结构；(b) LSP后TC21合金层错演变示意图；(c) 图(a)的FFT图像；(d)图(c)衍射斑点示意图；(e) FCC-Ti(020)晶面的IFFT图像。
图7.纯钛经(a)单次冲击，(b, c)三次冲击与(d, e)五次LSP处理后的截面EBSD图像质量图。
图8.纯钛经(a)单次与(b)三次LSP冲击后的典型微孪晶结构。
图9.多次LSP冲击诱导Ti17合金中逆转变马氏体的典型显微结构。
图10.Ti64合金LSP前TEM图像(a)；不同参数LSP后的位错形貌：(b) 6.3 J单次冲击，(c) 6.3 J两次冲击，(d) 7.9 J两次冲击。
图11.(a)不同样品疲劳裂纹萌生位置；(b)未处理与不同参数LSP处理样品的疲劳条纹及(c) 最终断裂区（0、1、2、3分别代表原始、I型、II型、III型处理）。
图12.(a) Ti64合金LSP处理前后等温氧化动力学曲线与(b) 活化能；700°C氧化后氧化层显微结构：(c) LSP前，(d) LSP后；700°C氧化50小时截面元素分布EDS图：(e) LSP前，(f) LSP后。
图13.钛合金LSP当前挑战与未来研究方向总结。
当前挑战
自LSP技术发展以来，其工业化和商业化应用已取得显著进展。随着对"工艺-微观结构-性能"关系的深入理解，LSP已成功应用于航空航天领域关键部件（如涡轮叶片、齿轮轴和转子盘等钛合金构件）的工程性能提升。在生物医疗领域，改善钛合金植入体的生物相容性与力学性能的需求也推动了LSP技术的相关研究。此外，凭借其引入残余压应力（CRS）的能力，LSP还被证明可通过将有害的焊接/增材制造拉应力转化为有益CRS，成为调控构件残余应力状态的有效手段。然而，随着钛合金在复杂形状构件中的广泛应用，以及极端环境服役需求的增长，LSP技术在柔性加工、稳定性与均匀性方面仍面临重大挑战。
(1)加工柔性不足
增材制造和先进焊接技术的发展使钛合金可成型为具有凹面或复杂接头的异形构件。同时，LSP不仅需满足工厂生产场景，还需适应桥梁、船舶、飞机等户外设施的现场维护需求。当前亟需开发具备可调激光能量、适配光斑尺寸、高精度与高效率的移动式LSP设备，以突破现场作业限制并推动产业化应用。
(2)性能稳定性缺陷
虽然LSP能通过引入高幅值深层的CRS提升金属材料性能，但构件在服役过程中承受外载或老化会导致CRS逐渐释放，进而引起性能退化。如何设计新型LSP工艺以维持钛合金的CRS和微观结构稳定性，成为亟待解决的关键问题。
(3)强化均匀性不佳
对于航空发动机叶片等复杂几何构件，单点激光的等离子体压力高斯分布及多次冲击搭接效应会导致表面强化不均匀，进而引发表面粗糙度增加等负面影响。目前需通过梯度位错运动调控形成梯度结构，并借助金相、EBSD和TEM等多尺度表征手段，建立宏观性能（CRS、硬度、疲劳寿命、耐蚀性）与微观组织的关联机制。
未来研究方向展望
针对上述挑战，未来研究可围绕以下方向展开（图13）：
(1)便携式LSP设备开发
微型高功率芯片激光器的出现为便携式LSP设备创造了条件。紧凑型激光器与柔性机械臂的结合，可突破工厂环境限制，实现桥梁、船舶等户外设施的现场维护。若进一步与无人机技术集成，还能替代建筑维护中的脚手架和人工操作，大幅拓展LSP技术在钛合金构件性能提升中的应用场景。
(2)多场耦合LSP工艺创新
随着超声、磁场、电场等先进材料处理技术的发展，多场辅助LSP工艺展现出巨大潜力。例如，磁-力耦合效应已被证实能显著促进金属材料的位错运动。通过调控处理温度或结合外场干预（如磁场/超声振动），既可优化钛合金的CRS分布与微观组织演变，又能提高高温/循环载荷下的组织稳定性和CRS保持率，为钛合金性能调控开辟新路径。
(3)基于微观结构的LSP建模
建立"工艺-微观结构-性能"的定量关系对优化LSP参数至关重要。鉴于钛合金种类繁多且工艺变量复杂（搭接率、光斑尺寸等），传统试错法研发成本高昂。发展基于微观结构的LSP数值模型，可模拟宏观组织演变过程并预测工程性能，从而显著减少工艺开发周期与成本。
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟