激光功率依赖的激光粉末床熔融成形ZGH4736高温合金表面强化效应

《Journal of Materials Research and Technology》：Laser-power-dependent surface strengthening effect of Additive manufactured ZGH4736 superalloy

　　

研究人员采用激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）技术制备了镍基高温合金ZGH4736，随后对其施加喷丸表面强化（Surface Strengthening，SS）处理以提升表面性能。研究系统分析了不同激光功率下SS对LPBF成形ZGH4736合金残余应力、微观结构与显微硬度的影响。结果表明，SS在表层引入显著压残余应力（Compressive Residual Stress，CRS），且最大CRS出现在亚表层区域；激光功率升高会增大该最大残余应力幅值，但减小其出现深度。此外，SS处理后表层形成厚度约150 μm的纳米晶梯度变形层，晶粒尺寸由最外层向基体逐渐增大；微应变与位错密度则呈相反趋势，随深度增加持续降低。变形孪晶与堆垛层错限制位错运动，不同取向位错交割形成的洛默-科特雷尔（Lomer-Cottrell，L-C）位错锁进一步阻碍位错滑移，最终显著提升ZGH4736合金的表面显微硬度。

本研究针对航空航天发动机高推重比发展对复杂轻量化镍基高温合金构件的需求，聚焦激光粉末床熔融（LPBF）技术制备高Al/Ti含量ZGH4736高温合金时存在的工艺窗口窄、表面完整性对热历史敏感等问题，揭示初始LPBF态对后续表面强化响应的调控机制。研究由上海交通大学材料科学与工程学院团队完成，相关成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》，明确了激光功率通过调控初始微观结构间接影响表面强化效果的规律，为LPBF高温合金构件的表面性能优化提供了理论支撑。

研究人员采用的关键技术方法包括：使用SLM125 3D打印系统在80°C预热基板、67°层间旋转扫描策略下，以150 W、200 W、250 W三种激光功率制备ZGH4736块体试样；对试样顶面与侧面实施参数一致的喷丸表面强化（SS）处理；采用显微硬度计测试截面硬度梯度，X射线应力分析仪通过sin²ψ法表征残余应力沿深度分布；结合扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）与透射电子显微镜（TEM）分析微观结构演化；基于Williamson-Hall（W-H）法与Scherrer公式计算晶粒尺寸、微应变及位错密度。

3.1 表面形貌

SS处理后试样表面熔道完全消失，被大小不一的凹坑、挤压脊与褶皱取代。低激光功率下表面褶皱数量多且尺寸大，随功率升高褶皱逐渐减少，高功率下以挤压脊与凹坑为主，表明激光功率升高降低了SS过程中的塑性变形程度。

3.2 XRD与残余应力分析

XRD图谱显示近表层峰宽化显著，随深度增加逐渐减弱，反映应变储存与晶粒细化效应；表层及10 μm深度处（111）晶面峰向高角度偏移，源于塑性变形与CRS引起的晶格畸变。多峰拟合结果表明，顶面和侧面均呈现相干域尺寸随深度增加而增大、微应变与位错密度随深度增加而减小的梯度特征，仅顶面浅层位错密度略高于侧面，归因于LPBF过程不同表面的初始状态差异。激光功率升高使近表层相干域尺寸从42 nm降至25 nm，最大微应变从3.7×10^-3升至4.4×10^-3，位错密度从3.3×10¹⁷m^-2升至5.6×10¹⁷m^-2；表面显微硬度从322.3 HV提升至550.7 HV，硬化层深度从0.6 mm减小至0.4 mm。所有试样表层均形成显著CRS，最大CRS出现在亚表层，随激光功率升高从719 MPa增至766 MPa，对应深度从50 μm减小至10 μm。该现象可通过赫兹压力模型解释：高硬度弹丸与高SS强度下，赫兹压力主导残余应力分布，初始LPBF态的细晶与高位错密度限制了塑性流动深度，使最大CRS向表面靠近。

3.3 微观结构演化

EBSD分析显示，LPBF态晶粒随激光功率升高逐渐细化，核平均取向差（Kernel Average Misorientation，KAM）与低角度晶界（Low-Angle Grain Boundaries，LAGBs）占比增加，表明初始储存应变与亚结构密度升高。SS后表层发生剧烈塑性变形，KAM值近表面最高，LAGBs显著增加，源于高密度位错缠结、胞状结构形成与晶粒细分；SS态平均晶粒尺寸仍受初始激光功率调控，从66.0 μm降至42.3 μm。SS诱导变形层厚度约150 μm，近表层形成纳米级超细晶，KAM值随深度增加持续降低并在150 μm处稳定，证实梯度应变储存特征。残余应力、显微硬度与平均晶粒尺寸均沿深度呈梯度变化，表明SS层由应变累积、晶粒细分与加工硬化共同调控。TEM观察显示，Power 1试样表层同时存在位错、L-C位错锁、堆垛层错与变形孪晶，变形机制为滑移与孪生共存；Power 3试样表层无显著变形孪晶，以位错滑移为主，归因于其更小的初始晶粒尺寸、更高的晶界密度与位错储存能力，使临界孪生应力难以达到。

讨论部分指出，激光功率通过改变初始LPBF微观结构间接调控SS响应：高功率下更细的初始晶粒与更高的缺陷密度促进近表层应变累积，使CRS场更浅且更强，变形机制从滑移-孪生共存向位错滑移主导转变。

结论

（1）SS使ZGH4736合金表层形成压应力梯度结构，最大CRS位于亚表层，随激光功率升高从719 MPa增至766 MPa，对应深度从50 μm减小至10 μm，高功率产生更浅且更强的CRS场。

（2）SS诱导的梯度变形层厚度约150 μm；激光功率升高使近表层相干域尺寸从42 nm降至25 nm，最大微应变从3.7×10^-3升至4.4×10^-3，位错密度从3.3×10¹⁷m^-2升至5.6×10¹⁷m^-2，高功率试样SS后应变储存能力更强。

（3）SS后表面显微硬度显著提升且呈梯度分布，硬化层深度随激光功率升高减小，但Power 3试样表面硬度最高，表明激光功率通过控制初始LPBF态调控SS过程中的加工硬化效率。

（4）Power 1试样表层变形孪晶与堆垛层错限制位错运动，L-C位错锁进一步阻碍滑移，变形由滑移与孪生共同驱动；Power 3试样因位错密度更高、晶粒更小且晶界密度更大，变形以位错滑移为主。激光功率显著影响SS处理后ZGH4736合金的残余应力、微观结构与力学性能，高功率可有效提升CRS、显微硬度并促进位错滑移主导的变形机制。