半正弦波冲击试验标准
长三角G60激光联盟导读
清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室在磁场与激光复合加工领域取得进展—Ti6Al4V合金的磁场辅助激光冲击强化。相关研究作为封面文章以“Magnetic Field-Assisted Laser Shock Peening of Ti6Al4V Alloy”为题发表在《Advanced Engineering Materials》期刊上。
激光冲击强化在改善金属材料的机械性能中有着广泛的应用。一个重要的因素是机械性能和微观结构的不均匀性，如表面硬度和晶粒细化。清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室提出了一种飞秒激光冲击强化与脉冲磁场相结合的金属材料强化方法。在磁场辅助激光冲击强化(MFLSP)下，提高了晶粒细化效果，改善了金属材料表面硬度分布的均匀性，并揭示了调整位错分布促进晶粒细化的激光-磁场协同作用机制，该方法与激光加工和外部能量场相结合，为改变金属材料微观结构和改善其机械性能提供了新途径，在航空航天、轨道交通等领域具有应用潜力。
论文中，研究团队采用磁场辅助激光冲击强化(MFLSP)技术，使Ti6Al4V合金的晶粒细化和表面硬度分布均匀。采用扫描电子显微镜(SEM)、白光干涉仪(WLI)和X射线衍射仪(XRD)对处理后表面形貌和晶相组成进行了分析。利用电子背散射衍射(EBSD)进行准原位组织表征，研究了晶粒尺寸和位错分布的演变。为了比较表面强化效果，对原样和处理过的样品采用了等间距逐行交替压痕的硬度映射方法。
磁场辅助激光冲击强化的实现
MFLSP是在磁场和飞秒激光脉冲的结合下进行的，如图1a所示。将原样依次进行脉冲磁场处理(PMT)和FLSP处理。如图1b所示，位错与障碍物之间的库仑相互作用。由于外部磁场激发下的轨道自旋耦合效应，如图1c所示。图1d所示，PMT使用半正弦波脉冲磁场进行，脉冲电流为2 Hz，共50个脉冲。脉冲磁场强度设为0.8 T。磁场方向垂直于样品表面。PMT后，原样的形貌没有改变。FLSP使用飞秒激光脉冲(800 nm, 35 fs, 50 mW)进行。激光脉冲的能量分布和相邻激光脉冲之间的间隔距离如图1e所示。为了表征MFLSP的表面硬化效果，采用了准原位测量方法，如图1f所示。对原样、PMT和MFLSP样品进行准原位硬度表征。
图1:MFLSP。
MFLSP对晶粒细化的影响
利用EBSD分析对原样、FLSP和MFLSP样品进行大面积检测。晶粒分布的逆极图(IPF)映射显示细晶粒增加，如图2a-c所示。通过对图2d-f中晶粒尺寸及其面积分数的统计分析来衡量晶粒细化分布的均匀性。
图2:晶粒分布、织构和晶粒取向差的变化。
MFLSP对表面硬化的影响
为了表征PMT和FLSP的表面硬化效果，对原样、PMT和MFLSP样品进行了准原位测量。
图3:表面硬度比较。a)原样、b) PMT样品、c) MFLSP样品和d) FLSP样品的表面硬度映射。e)检测位置的表面硬度直方图。f) KDE和g) WD表面硬度分析。h)原样、PMT样品、MFLSP样品和FLSP样品的平均表面硬度比较。
为了研究晶粒细化的促进机制，在同一区域对原样、PMT和MFLSP样品进行了位错运动表征。如图4所示。
图4:MFLSP对微观结构影响机制。
图5:MFLSP的机制。a) PMT过程中磁场诱发磁致位错的示意图。b) FLSP和c) MFLSP过程的微观结构演变示意图。
结论
本研究提出采用MFLSP，通过引入磁场辅助，使Ti6Al4V合金的晶粒细化和表面硬度分布均匀。对原样、PMT 和 MFLSP 样品的晶粒细化、位错运动和表面硬度进行了研究。经过 MFLSP 处理后，细化晶粒的比例为 86.63%，比原样提高了 159.57%。通过 EBSD 结果可以观察到磁场诱导的位错密度向内部区域重新分布，这影响了均匀强化效果。在剧烈塑性变形下，分散位错会促进位错倍增。晶粒尺寸在 MFLSP 样品中分布均匀，这改善了表面硬度值的均匀性。MFLSP 样品的平均表面硬度增加了 18.21 HV，增加幅度是 FLSP样品的两倍。结果表明，在激光诱导塑性变形过程中，操纵位错运动有利于晶粒细化。这项研究提供了一种通过调整位错分布促进晶粒细化的新策略，为调整微观结构分布均匀的金属材料的机械性能提供了一种可行的方法。
作者简介：
清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室博士生贺广智、钱成凯为论文共同第一作者，刘瞿助理研究员、闫剑锋副教授为通讯作者，作者还包括蔡志鹏研究员、李克俭副研究员，该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
相关文章链接：
https://doi.org/10.1002/adem.202201843
http://sklt.tsinghua.edu.cn/info/1083/1849.htm
长三角G60激光联盟陈长军转载
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