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儀表網 研發快訊】定制金屬材料的微米和納米結構，如細化和層狀晶粒、高階納米線和位錯結構，可有效改善其機械性能。因此，操縱微/納米結構正在成為金屬增強的一種關鍵技術方法。非線性力學國家重點實驗室的彭慶研究員和華北電力大學的王鵬杰助理教授的聯合研究團隊在Ti-6Al-4V合金表面利用超短脈沖激光噴丸技術成功誘導形成了梯度微納結構，這一成果為金屬材料表面性能的優化提供了全新途徑。
實驗中采用了飛秒和皮秒激光脈沖，這些超短脈沖激光由于其超高的峰值強度，能夠在無需涂層和封閉的條件下直接對金屬表面進行處理。實驗結果顯示，飛秒激光噴丸引起的材料去除量最小，而皮秒激光噴丸則導致了更明顯的相變和材料去除，最大去除深度接近30微米。通過透射
電子顯微鏡(TEM)的觀察發現，經過超短脈沖激光噴丸處理后的Ti-6Al-4V合金表面，其微觀結構發生了顯著變化，原本粗大的晶粒得到了細化，位錯大量增殖，這些變化對于提高材料的力學性能至關重要。此外，該研究還發現，超短脈沖激光噴丸技術在精度和空間適應性方面具有顯著優勢，特別適合于微組件的表面強化。與傳統的納秒激光噴丸技術和機械方法相比，超短脈沖激光噴丸技術能夠實現更精細的表面結構調控，這對于制造具有特定表面性能的微或復雜空間形狀的工業部件具有重要意義。這項研究不僅在理論上提供了深入的見解，而且在實際應用中也展現了廣闊的前景，為未來金屬材料表面工程的發展奠定了堅實的基礎。
該研究成果以“Nano gradient structuring at Ti-6Al-4V surface induced by ultrashort-pulse laser peening”為題發表在Journal of Manufacturing Processes上期刊上(Volume 132, 26 December 2024, Pages 105-111)。東北大學博士生李林鮮為論文第一作者，彭慶研究員和王鵬杰教授為通訊作者。此工作得到國家自然科學基金(12272378和52175293)和力學所力英計劃的支持。
圖1 超短脈沖激光剝離實驗裝置和激光掃描模型示意圖
圖2 原始和超短脈沖激光強化Ti-6Al-4V合金樣品的表面形貌和微觀結構比較。原始樣品(a)、飛秒激光強化樣品(b)和皮秒激光強化樣品(c)的表面形貌。(d)原始樣品、(e)飛秒激光強化樣品和(f)皮秒激光強化樣品表面的 TEM 圖像。Sa：算術平均偏差。Sq：均方根偏差。
圖3 通過飛秒激光噴丸處理產生的所研究的Ti-6Al-4V合金頂面(深度約15μm)上的梯度微/納米結構特征。(a) 用 TEM 在深度方向上進行的顯微觀察。(b-d)靠近激光強化表面的晶粒細化區域的超細晶粒。(b) 中的插圖表示細化晶粒的SAED圖樣。(e-j)飛秒激光強化引起的嚴重塑性變形區域的微納米結構，包括位錯纏結、亞晶界、納米網、位錯單元和位錯壁。
圖4 所研究的Ti-6Al-4V合金通過皮秒激光強化產生的表面沿深度方向的梯度微/納米結構的TEM特性，包括細化晶粒、層狀結構、亞晶界、分層納米網、位錯纏結和堆積。高分辨率的TEM照片分別顯示了晶界、納米絲和位錯纏結。放大方形區域的逆快速傅立葉變換(IFFT)圖像顯示了局部位錯分布和堆積。
圖5 超短脈沖激光強化(LP)處理前后的微米/納米結構示意圖。
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