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长三角G60激光联盟导读

美国阿拉巴马大学、美国宾夕法尼亚州立大学及美国乔治梅森大学的科研人员综述报道了激光喷丸对材料蠕变性能的影响研究进展。相关论文以“A review of the effects of laser peening on creep properties”为题发表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。

激光喷丸（Laser Peening, LP）作为一种关键表面改性技术，已广泛应用于汽车、能源、国防及航空航天领域，可显著提升材料耐久性（如疲劳寿命与耐磨损/腐蚀性能）。该工艺通过高应变率塑性变形在材料深层诱导出大幅残余压应力（Compressive Residual Stresses, CRS），从而增强材料抗表面失效能力并延长工程部件使用寿命。除残余压应力外，激光喷丸引发的微观结构转变——如高密度位错、亚晶界（Sub-Grain Boundary, SGB）形成及晶粒细化——对性能提升同样具有关键作用。具体而言，激光喷丸会促使位错缠结（Dislocation Tangles, DTs）与致密位错墙（Dense Dislocation Walls, DDWs）的形成，并最终转化为亚晶界。这一演变过程能有效阻碍位错运动，且根据工艺与材料的不同，相关结构在高温环境下仍可保持稳定，从而提升抗蠕变性能。这种微观结构改性可显著改善材料在长期高温高应力工况下的性能表现，尤其对蠕变效应的抑制具有重要意义。

本文综述了激光喷丸对蠕变行为的影响机制，重点探讨诱导残余压应力、位错结构演化及亚晶界形成对提升抗蠕变性能的作用。研究同时指出该技术面临的挑战，特别是未来需深入开展极端条件下材料深层位错运动调控优化的相关研究。

图1激光喷丸工艺示意图展示了激光辐照、等离子体生成、塑性变形及诱导残余压应力（CRS）的相互作用机制。黄色箭头标注区域为残余拉应力分布，绿色箭头则指示残余压应力区域。

图2该对比图呈现了采用/未采用烧蚀涂层的激光喷丸材料残余应力分布曲线。

图3不同搭接率（30%(a)、50%(b)、70%(c)、90%(d)）条件下表面残余应力的模拟分布云图。

图4沿材料深度方向的残余应力模拟分布曲线，对应搭接率分别为30%(a)、50%(b)、70%(c)、90%(d)。

图5.9 GW/cm²能量密度试样在不同深度（表面(a)、100µm(b)、300µm(c)、500µm(d)）的核平均取向差（KAM）分布图。

图6.7075铝合金透射电镜（TEM）图像对比：(a)未处理试样的晶界/位错结构及第二相电子衍射花样；(b-d)激光喷丸处理后的微观结构演变。

图7激光喷丸过程中亚晶界（SGB）形成机制的示意图解。

图8单次(a)、双次(b)、三次(c)激光冲击强化试样表面下20µm深度处的TEM显微照片，分别展示位错线（DLs）、致密位错墙（DDW）、亚晶界（SGBs）及多边形亚晶的形成过程。

图9超声喷丸（USP）工艺及其诱导位错结构对压痕蠕变测试中抗蠕变性能增强作用的机理示意图。

图10激光喷丸前：200℃/200MPa应力条件下经历48,000次循环的疲劳断口形貌(a)及其示意图(b)；激光喷丸后：相同工况下经历63,000次循环的疲劳断口形貌(c)及其示意图(d)。

图11(a)增材制造（AM）原始材料表面及近表面区域的TEM图像；(b)AM-LP试样表层200nm范围内亚晶（白框标注）与δ相的分布；(c)AM-4LP-3HT-E试样表层500nm内亚晶与δ相；(d)AM-4LP-3HT-E试样距处理表面约1000nm处粗化亚晶及弥散δ相（白框标注）。

本研究阐明了激光喷丸（LP）工艺对材料抗蠕变性能的显著提升作用。LP通过塑性变形诱导残余压应力（CRS）、提高位错密度、阻碍位错运动、促进亚晶界（SGBs）形成并细化晶粒结构。这些微观结构改性能有效抑制高温下的位错迁移，从而增强材料抗蠕变变形能力，提升其在高温工况下的综合力学性能。

本综述揭示了亚晶界在促进位错结构重组、作为高温力学性能（如抗疲劳与抗蠕变）稳定屏障中的关键作用。未来研究可重点探索通过LP工艺构建亚晶结构的最优方法，这对提升高温材料性能具有重要指导意义。

研究还建立了多重LP处理与亚晶界形成的关联性，发现LP+TME组合工艺能进一步稳定微观结构。未来工作应聚焦于优化LP+TME参数，以形成更稳固的亚晶界并实现更深的残余压应力渗透——这对提升主要由体特性决定的抗蠕变性能至关重要。

在探究LP对蠕变行为影响方面，建议通过透射电镜（TEM）、电子背散射衍射（EBSD）等微结构表征技术，结合X射线衍射（XRD）残余应力测量，确定能产生高密度位错结构及深层稳定CRS的最佳LP+TME工艺条件。后续可采用纳米压痕蠕变测试分析LP处理截面不同深度（尤其是亚晶界区域）的蠕变抗性，并辅以压痕法、接触法和/或拉伸蠕变试验，系统研究LP+TME诱导的亚晶界与CRS对高温抗蠕变性能的协同增强机制。

论文链接：

Doroudi, A., Beck, S., Tavangarian, F. et al. A review of the effects of laser peening on creep properties. Int J Adv Manuf Technol 137, 5365–5385 (2025).

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