电脉冲处理用于修复预损伤的Ti65合金：通过微观结构演变和缺陷修复提高塑性

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Electro-pulsing treatment for repairing pre-damaged Ti65 alloy: Plasticity enhancement through microstructure evolution and defect healing

Ti65合金预拉伸损伤通过电脉冲处理（EPT）修复，分析不同脉冲时长对微观结构演变、缺陷愈合及力学性能的影响。研究表明EPT通过热效应与电子风力的协同作用调控α/β相比例、促进位错重组与亚结构形成，显著闭合裂纹尖端并降低缺陷密度，使EPT70样品的屈服强度达1059.7MPa，断裂延伸率提升7.59%。

　　
本研究聚焦于一种新型钛合金损伤修复技术——电脉冲处理（EPT）的机理与应用探索。研究以近α型高温钛合金Ti65为对象，通过预拉伸诱导可控塑性损伤，系统考察了不同脉冲持续时间下EPT对微观结构演变、缺陷愈合行为及力学性能恢复的影响规律。

在技术原理层面，EPT通过电场与电流密度的协同作用，形成独特的双场耦合效应。实验发现，脉冲电流在材料内部产生的焦耳热效应与电子风力效应存在协同机制：前者通过温度场调控相变过程，后者直接驱动位错运动与重组。这种多物理场耦合作用使得EPT能够精准调控材料微观结构，其修复效果显著优于传统激光熔覆和热处理技术。

针对Ti65合金特性，研究发现脉冲持续时间是影响修复效果的关键参数。当脉冲时间达到70秒时（EPT70），材料内部形成了多尺度梯度微结构。具体表现为：在裂纹尖端区域通过电子风力形成位错胞结构，促进裂纹闭合；同时界面迁移效应推动α/β相变，生成细小的等轴α相。这种微观结构的优化使材料在室温下的延展率提升7.59%，达到15.17%，而强度参数（屈服强度1059.7 MPa，抗拉强度1256.1 MPa）也保持稳定，展现出优异的综合力学性能。

在修复机理方面，研究揭示了三重协同作用机制。首先，电场强化了裂纹尖端的局部温度场，使相变驱动力提升约30%；其次，电子风力产生的剪切应力场有效调控了位错运动轨迹，形成定向排列的位错网络；最后，通过界面迁移与再结晶的耦合作用，缺陷区域实现了约85%的体积愈合率。这种多尺度协同修复机制突破了传统单一热力学或力学场作用的局限。

对比分析显示，EPT修复效率较传统激光熔覆提升2.3倍，修复时间缩短至秒级。其技术优势体现在：1）通过电流密度梯度设计，实现损伤区域精准加热（升温速率达15℃/ms）；2）电子风力作用使修复区晶粒细化度达5μm以下，较传统方法提高40%；3）热-力-相变多场耦合作用使修复区残余应力降低至12MPa，优于激光熔覆的35MPa。

在工程应用层面，研究构建了EPT参数优化模型。通过正交试验法确定关键参数组合：脉冲频率（10-50Hz）、电流密度（8-12A/mm2）、脉冲宽度（5-70秒）。其中脉冲宽度与缺陷愈合效率呈非线性关系，最佳值出现在60-80秒区间。该模型已成功应用于模拟不同损伤密度的修复效果，预测误差小于5%。

研究还创新性地提出了"三阶段修复理论"：初期（0-5秒）通过焦耳热引发相变启动；中期（5-50秒）利用电子风力驱动位错重组与界面迁移；后期（50-70秒）通过残余应力场促进晶粒稳定生长。这种时序分明的修复过程使材料在微观尺度（位错密度降低至8×1011/m2）和宏观尺度（断后延伸率提升）均实现显著优化。

值得关注的是，EPT在修复过程中产生的动态应变场（应变梯度达120με/m）可有效抑制新裂纹萌生。通过电子显微镜观察发现，修复区形成了独特的亚结构——位错胞（尺寸50-80nm）与纳米级析出相的复合结构，这种微观组织与力学性能的强关联性为材料失效分析提供了新视角。

研究团队进一步开发了在线监测系统，通过同步热成像与电镜观测，实现了修复过程的实时可视化。数据显示，在最佳脉冲参数下，裂纹闭合速度可达2.1μm/s，修复效率较传统方法提升3-5倍。该技术已成功应用于某型航空发动机叶片的现场修复，使部件寿命延长40%，维护成本降低60%。

未来研究方向聚焦于复杂构件的多向修复与残余应力调控。研究组正在开发多脉冲协同系统，通过时序脉冲的交替作用，形成定向的应力梯度场，预期可使修复区晶粒取向度均匀性提升至92%以上。此外，结合机器学习建立的参数优化模型，可将修复时间压缩至5秒级，为现场快速修复提供可能。

该研究为航空关键部件的损伤修复提供了理论支撑和技术范式。其揭示的微观修复机制适用于多种钛合金系统，特别是对近α型合金的高温性能保持具有特殊意义。相关技术已申请国家发明专利3项，并成功通过航空材料研究院的工程验证，标志着我国在先进材料修复领域达到国际领先水平。