Effect of HIP and Laser Shock Peening Sequence on the Fatigue Behavior of Laser Powder Bed Fused Ti6Al4V
本研究表明，对于缺陷丰富的激光粉末床熔融 Ti-6Al4V，在热等静压之后进行激光冲击强化比反向顺序能获得更优异的疲劳性能，这可能是因为前者在内部缺陷指标相似的情况下，仍保留了有益的表面压应力。
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用于飞机零件和医疗植入物的金属部件正越来越多地通过一种逐层构建的过程来制造，该过程利用高功率激光熔化微小的金属粉末颗粒。这种被称为激光粉末床熔融的方法，使工程师能够创造出那些无法从固体块中机械加工出的形状。然而，这种快速制造方式也带来了一个隐藏的代价：零件往往包含微观缺陷。被困住的气体微小气囊以及金属未完全熔合在一起的区域，都可能成为裂纹的起点。当这些部件承受反复的应力时——例如发动机的振动或人体的重量——这些微小的缺陷可能会演变成裂纹，导致零件在不该失效的时候发生故障。为了使这些部件能够安全地用于关键领域，制造商必须消除这些缺陷并强化表面，但应用这些修复手段的顺序比以往认为的更为重要。
研究人员着手测试一个关于两种用于钛合金零件的高效修复技术之特定问题的课题。第一种技术是热等静压，它涉及将金属加热到接近华氏1,500度，同时用巨大的气体压力进行挤压。这一过程就像是为金属穿上了一件深海潜水员的压力服，迫使内部气囊塌陷并将材料重新焊接在一起。第二种技术是激光冲击强化，它利用高能激光脉冲产生撞击表面的冲击波。这种冲击使外层发生塑性变形，有效地将其锤炼成一种压缩状态，从而使裂纹更难开始或蔓延。虽然这两种方法都以提高性能而闻名，但科学家们想知道，应用它们的先后顺序是否会改变最终结果。如果先对金属进行挤压和加热，然后再进行冲击强化，结果会有所不同吗？还是先进行冲击强化，然后再进行挤压？
为了找到答案，研究团队制造了一批带有缺口的小型钛合金试样，这些试样被刻意设计得充满了缺陷，以模拟制造过程不完美的运行情况。他们将这些零件分为两组。一组先接受激光冲击强化处理，随后进行热等静压；另一组则以相反的顺序进行处理：先进行热等静压，然后进行激光冲击强化。之后，研究人员使用先进的X射线成像技术观察零件内部，统计剩余缺陷的数量并测量其大小和形状。随后，他们对每个试样进行了严格的疲劳测试，在受控载荷下进行往复弯曲，直到它们断裂或生存了100万个循环。
结果揭示了X射线图像显示的内容与零件实际表现之间存在令人惊讶的脱节。当研究人员观察金属内部时，两组看起来非常相似。与未经处理的零件相比，两组的内部缺陷数量都有所减少，且剩余孔洞的平均形状也几乎完全相同。事实上，根据扫描结果，先进行热等静压再进行冲击强化的那一组，实际上包含了单个最大的剩余缺陷以及最大的内部缺陷总体积。仅基于这些内部测量数据，人们可能会预期这一组的表现会更差。然而，当零件投入测试时，情况却恰恰相反。最后进行冲击强化的试样存活时间明显更长。其中有两个甚至在100万个循环后仍未断裂，这被称为“未断裂（run-out）”现象，而另一组中的没有任何一个试样达到了这一里程碑。
研究人员得出结论，操作顺序从根本上改变了金属表面的最终状态，而这是一个X射线扫描无法观测到的因素。当激光冲击强化作为最后一步应用时，它创造了一个新鲜、硬化且处于压缩状态的表面层，并在随后的测试过程中保持完好。在另一种序列中，即先进行冲击强化，金属随后又经历了热等静压的高温。这种热暴露很可能导致冲击强化所创造的有益压缩应力发生松弛或消退，使得表面更容易受到裂纹的影响。研究表明，对于这些钛合金零件而言，最后一步工艺对于疲劳寿命至关重要。这意味着制造商应始终在内部修复处理之后进行表面强化处理，以确保保护性的表面状态在零件投入使用前得以保留。这一发现强调了在复杂制造过程中，步骤的先后顺序与步骤本身同样重要，并且仅仅观察内部缺陷有时会忽略零件成功或失败的真正原因。
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