通过超声波表面滚压工艺提高TC17线性摩擦焊接接头的疲劳寿命：表面完整性、疲劳行为及寿命提升机制

《Materials Today Communications》：Enhancing the fatigue life of TC17 linear friction welded joints through the ultrasonic surface rolling process: surface integrity, fatigue behavior, and life enhancement mechanism

　　余福松 | 傅强天 | 凯明张 | 开轩黄 | 俊苗石 | 刘家涛
教育部压力系统与安全重点实验室，华东科技大学，上海200237，中国

**摘要**
本研究利用超声波表面滚压工艺（USRP）来提高TC17线性摩擦焊接（LFW）接头的疲劳寿命。对经过USRP处理的接头表面完整性进行了测量和表征。在接头表面形成了由非晶表层和亚表面纳米晶区域组成的梯度微观结构。接头表面的残余应力约为-800 MPa，在约800 μm的深度处逐渐减小至接近零。同时，接头表面的显微硬度呈现梯度分布，表面粗糙度也显著改善。USRP引起的接头表面完整性的变化有助于提高抗疲劳裂纹的能力。在0–0.0093 mm/mm的应变范围内进行的疲劳测试表明，USRP使接头寿命至少提高了三倍，疲劳裂纹的起始位置从接头表面转移到了亚表面。在25,000和50,000 cycles时中断的疲劳测试显示，接头中强化表面的梯度微观结构、残余应力、显微硬度和表面粗糙度在疲劳测试过程中逐渐恶化，最终导致接头发生疲劳断裂。

**1. 引言**
随着航空航天技术的进步，迫切需要提高航空发动机的推重比。叶片盘结构作为航空发动机的关键部件，在高压、高转速和长时间运行的极端条件下工作。实现叶片盘的可靠焊接对于叶片盘结构的应用至关重要。目前线性摩擦焊接（LFW）是连接叶片盘的主要方法 [1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，焊接过程会在接头中形成不均匀的微观结构，通常包括热影响区（HAZ）、热机械影响区（TMAZ）和焊接区（WZ）。在疲劳载荷下，这种不均匀的微观结构会导致接头中局部应力和应变集中，从而限制了疲劳性能 [6]、[7]、[8]。这一问题已成为阻碍LFW制造叶片盘结构广泛应用的关键因素。开发LFW接头的表面强化技术以改善其疲劳性能对于叶片盘结构的实际应用至关重要。

提高焊接接头的疲劳寿命不仅具有吸引力，而且也非常重要，这一点通过多项研究和技术得到了证实。如激光冲击喷丸 [9]、[10]、喷丸 [11]、[12] 和超声波冲击 [13]、[14] 等表面强化技术可以控制焊接接头的微观结构和残余应力分布，从而最终提高其疲劳寿命。然而，这些方法往往会产生粗糙的表面和有限的强化深度，从而难以显著提高焊接接头的疲劳寿命。超声波表面滚压工艺（USRP）结合了超声波冲击和表面滚压的优点，在保持较低表面粗糙度的同时，确保了足够的微观结构和残余应力修改深度 [15]、[16]、[17]。因此，USRP对于强化LFW接头具有很大的潜力。目前，USRP已应用于提高激光焊接接头和摩擦搅拌焊接接头的机械性能 [18]、[19]、[20]。然而，现有的研究主要关注焊接接头的残余应力分布和机械性能的改善，关于接头失效行为和提高疲劳寿命机制的研究仍较为缺乏。

TC17钛合金是一种常用的航空航天钛合金，具有双相微观结构。TC17钛合金是双相合金，α相具有六方密排（HCP）晶体结构，β相具有体心立方（BCC）结构。α相以层状分布在β基体中。这种微观结构可以有效改变裂纹传播路径并降低裂纹生长速率，从而提高材料的抗疲劳性能。同时，β相提供了出色的塑性和加工性，确保了良好的机械加工性和可靠性。据Lü Yanli等人 [21] 报道，在应变比为R = ?1的加载条件下，TC17钛合金的疲劳行为表现出明显的应变依赖性：在低应变幅度下发生循环硬化，而当应变幅度超过一定水平时会出现显著的循环软化。这种行为与材料内部的位错运动和微观结构演变密切相关。此外，α相的形态、大小和分布直接影响材料的抗疲劳性能和可靠性 [22]。Wang等人 [23] 系统研究了初级α相对疲劳裂纹传播路径的影响。他们的结果表明，连续的晶界初级α相会促进晶间裂纹的快速扩展，而错开的晶内α层则导致裂纹偏转频率增加，从而提高抗疲劳性能。

作为一种广泛使用的航空航天钛合金，TC17具有优异的综合性性能，但对其线性摩擦焊接（LFW）接头进行强化的研究仍然不足。特别是，利用超声波表面滚压处理（USRP）来提高TC17 LFW接头疲劳性能的研究在现有文献中尚未报道。同时，由于缺乏基于中断疲劳测试的深入研究，这种接头的疲劳强化机制仍不清楚。本研究系统地对USRP对TC17 LFW接头表面完整性参数（包括表面粗糙度、微观结构、残余应力和显微硬度）的影响进行了表征。此外，还分析了USRP处理后焊接接头的疲劳失效行为。最后，通过中断测试分析了接头的疲劳过程，并揭示了USRP后接头提高疲劳寿命的机制。

**2. 材料和实验过程**
本研究使用的材料是一种典型的篮纹结构TC17钛合金。TC17是一种α+β型钛合金，组成为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr。焊接前，将TC17钛合金切割成140 mm×80 mm×40 mm的块状，焊接表面用SiC砂纸打磨并用丙酮清洗。随后，在以下参数下通过线性摩擦焊接（LFW）将两个TC17块连接起来：摩擦和锻造压力P = 80 MPa，振荡频率f = 40 Hz，振荡幅度a = 3 mm，摩擦时间t = 3 s。所得到的焊接接头如图1所示。焊接接头的塑性变形和极端温度变化产生了不均匀的微观结构和残余应力，这对接头性能有害。为了均化微观结构、细化晶粒并缓解焊接残余应力，将焊接后的接头在650°C下进行真空热处理3小时。其屈服强度为1060 MPa，抗拉强度为1148 MPa，延伸率为12.5%。

**图1.** (a) TC17 LFW接头；(b) 用于疲劳测试的接头示意图；(c) 金相微观结构。

LFW接头的疲劳测试在应变控制模式下进行，应变幅度分别为0-0.0073、0-0.0093和0-0.0113 mm/mm。疲劳加载速率为0.0062 mm/s，频率为0.33 Hz。选择这种相对较低的频率主要是为了避免温度过度升高。当载荷减少15%时，接头被视为失效，疲劳测试终止。对于每个应变幅度，未处理的接头测试一个样品，USRP强化的接头测试两个样品。中断测试的疲劳数据不包含在正式的疲劳数据集中，仅用于分析表面完整性和相关参数的演变。

为了进行USRP和疲劳测试，LFW接头被加工成图1(b)所示的疲劳试样。如图1(c)所示，接头显示出四区微观结构：焊接中心区（WZ）、热机械影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）和基体金属区（BMZ），这与我们之前的研究结果一致 [6]。USRP的示意图如图2所示。USRP处理覆盖了整个接头区域。USRP的处理方向垂直于线性摩擦焊接的焊接方向。

**图2.** TC17 LFW接头的USRP示意图。

通过比较在不同处理条件下处理的试样的疲劳寿命，确定了最佳的USRP工艺参数，其中系统地变化了静压力F、滚压次数n和振幅A。如表1所示，采用200 N的静压力、10次滚压和25 μm的振幅处理的试样表现出最佳的疲劳性能。因此，所有后续实验和分析均采用这套参数。

**表1. USRP工艺参数优化**
| 样品名称 | 静力F（N） | 滚压次数n | 超声振幅A（μm） | 疲劳寿命 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 未处理 | // | 13 | 7 | 13 |
| USRP-1 | 200 | 10 | 25 | 34 | 65 |
| USRP-2 | 200 | 10 | 25 | 65 | 45 |
| USRP-3 | 300 | 10 | 25 | 24 | 43 |
| USRP-4 | 200 | 50 | 25 | 60 | 59 |
| USRP-5 | 200 | 20 | 25 | 55 | 69 |
| USRP-6 | 200 | 10 | 20 | 27 | 24 | 6 |
| USRP-7 | 200 | 10 | 30 | 48 | 09 |
| USRP-8 | 200 | 10 | 35 | 58 | 16 | 6 |

使用粗糙度仪（IFM G4, Infinite Focus Measurement）分析了试样的表面形貌。Proto-I XRD MG40P FS STD设备用于测量USRP前后的接头残余应力分布。测量使用Cu-Kα辐射源，加速电压为20 kV，电流为4 mA，采用Miller指数为{213}的晶面和142°的布拉格角。通过电化学抛光依次去除材料层，然后逐层测量获得残余应力深度剖面。电解质溶液由10%的高氯酸（HClO4）和90%的甲醇（CH3OH）组成。在残余应力测量之前，使用标准无应力校准样品对测试仪器进行校准，以确保测量的准确性和可靠性。

显微硬度使用HXD-1000TMC/LCD微维氏硬度计测量，载荷为1.96 N，保持时间为15 s。沿深度方向的相邻压痕间距设置为不小于是50 μm，以确保测试点之间有足够的距离，避免相互干扰。对于每个深度位置，至少测量五个有效点，并采用平均值作为代表性的显微硬度，以获得硬度梯度分布。详细的测试间距和统计方法已在实验部分补充说明。

通过扫描电子显微镜（SEM）表征了接头的微观结构和断裂表面，并通过透射电子显微镜（TEM）分析了近表面区域的微观结构特征和相组成。样品制备涉及使用400至4000目SiC砂纸进行顺序研磨，然后分别用3 μm和1 μm的金刚石悬浮液抛光10分钟，0.05 μm和0.02 μm的二氧化硅悬浮液抛光20分钟，最后用水抛光5分钟，以实现镜面效果。

抛光后的样品通过SEM观察。对于TEM表征，样品进一步通过双喷射电抛光进行减薄，以研究沿深度方向的微观结构演变。

**3. 结果与讨论**
**3.1 USRP对TC17 LFW接头表面完整性的影响**
图3显示了USRP处理后TC17接头不同区域的微观结构。USRP在接头的所有四个区域（包括焊接区（WZ）、热机械影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）和基体金属（BM））引起了大约5 μm的明显塑性变形层。如图3(a)所示，基体材料（BM）表层中的灰色α相和明亮β相发生了显著变形。由于超声波振动和垂直于接头表面的静压力的共同作用，α相和β相的宽度都减小了。特别是在USRP过程中，这两个相的边界模糊，无法区分。此外，它们在滚压力的作用下向固定方向弯曲。沿深度方向，相变形的程度逐渐减弱。图3(b)展示了USRP后HAZ的微观结构。可以看出，HAZ表层中的α相和β相也从表面向深处逐渐变形，这与BM区域的微观结构分布相似。然而，HAZ中的相变形不如BM中的明显。图3(c)和(d)分别显示了TMAZ和WZ的微观结构。这两个接头的表面也观察到了相变形。尽管如此，由于这两个区域的相结构更为细腻，因此变形程度比图3(a)和(b)所示的要小。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图3. USRP处理后LFW接头表面区域的微观结构 (a) BM，(b) HAZ，(c) TMAZ，(d) WZ。由于接头表层的细腻，图3中通过SEM观察到的微观结构略显模糊。为了更清楚地显示微观结构，分别对BM和WZ的表面区域进行了TEM分析，如图4和图5所示。由于TEM表征的视野有限，无法在一张图像中完全显示受USRP影响的整个层。因此，在不同深度制备了TEM薄片：表层、2μm、50μm和300μm下方。下载：下载高分辨率图像（553KB）下载：下载全尺寸图像图4. USRP处理后LFW接头BM表面的TEM分析 (a) 加强表层的整体微观结构，(b-e) 不同深度的微观结构。下载：下载高分辨率图像（733KB）下载：下载全尺寸图像图5. USRP处理后LFW接头WZ表面的TEM分析 (a) 加强表层的整体微观结构，(b-e) 不同深度的微观结构。图4展示了USRP处理后BM表面的TEM观察结果。可以观察到，随着深度的增加，微观结构有显著变化。在BM的表面区域形成了大约1.5μm厚的非晶层。在距离表面2μm处，观察到了纳米晶体和变形的α+β相的混合区，如图4(c)所示，其中α相的宽度明显小于原始BM区域。当距离表面从50μm增加到300μm时，相的形态变化不大，观察到许多位错缠结，如图4(d)和(e)所示。这种微观结构的分布与我们之前的研究[21]一致。图4中所示的梯度微观结构的形成机制可以这样分析：在接头进行USRP过程中，由于工具与接头表面的接触，表层经历了严重的塑性变形，导致表面区域形成了非晶层和纳米晶体。随着深度的增加，USRP的影响逐渐减小。在深层区域（50-300μm），只观察到由USRP引起的位错缠结，没有明显的晶粒细化。同时，也对USRP处理后的WZ表面进行了TEM分析，如图5所示。结果显示，USRP对WZ表面微观结构的影响与BM表面类似。随着距离表面的深度增加，WZ表面依次由非晶层、纳米晶区域、位错密集区域和基材区域组成。这些微观结构的分布和形成机制与BM表面的一致。特别值得注意的是，由于焊接过程，WZ表面形成了缺乏层状α相的细晶微观结构。因此，在USRP处理后，任何深度都未观察到层状α相。接头的表面粗糙度是影响接头疲劳性能的关键因素。图6展示了USRP对接头表面形态和粗糙度的影响。如图6(a)所示，加工过程中产生了明显的工具痕迹、微坑和划痕。这些缺陷在服役过程中会成为应力集中点，显著缩短接头的疲劳寿命。USRP处理后，试样的表面质量显著改善，如图6(b)所示。USRP引起的接头表面塑性变形消除了机器缺陷。此外，在轧制过程中，USRP工具还磨光了接头表面，这也有助于消除表面缺陷。为了定量评估USRP处理前后的表面粗糙度，对接头表面进行了三维形态测量，结果分别显示在图6(c)和(d)中。对比分析表明，USRP处理后，接头表面粗糙度参数Sa从最初的1.782 μm降低到0.931 μm，减少了48%。因此，可以推断USRP有效地消除了接头表面缺陷并降低了表面粗糙度，从而显著提高了接头的表面完整性。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图6. TC17 LFW接头的表面粗糙度 (a) USRP处理前，(b) USRP处理后。图7展示了USRP对TC17 LFW接头残余应力分布的影响。USRP处理前，接头表面的残余应力约为-200 MPa，这是由于热处理后切削工具与接头表面之间的相互作用所致。相反，焊接接头的内部残余应力几乎可以忽略不计（接近0）。试样经过了USRP处理，处理条件为静压200 N、10次轧制和25 μm的幅度。较多次数的轧制保证了所有区域的充分均匀强化。因此，不同区域（BM、HAZ、TMAZ、WZ）的残余应力分布相似，这符合PWHT和充分USRP强化的综合效应。USRP处理后接头表面，所有区域都检测到了显著的压缩残余应力。接头的不同区域的残余应力峰值和变化趋势相似。具体来说，接头表面的压缩残余应力约为-800 MPa。随着深度的增加，残余应力值逐渐减小，在大约800 μm处降至0。上述结果表明，USRP有效地在整个接头中引入了压缩残余应力的梯度分布。下载：下载高分辨率图像（453KB）下载：下载全尺寸图像图7. USRP处理前后TC17 LFW接头不同区域的残余应力分布 (a) BM，(b) HAZ，(c) TMAZ，(d) WZ。图8展示了USRP对TC17 LFW接头不同区域微观硬度分布的影响。USRP处理前，BM、HAZ、TMAZ和WZ表面的微观硬度值分别为385 HV、388 HV、420 HV和420 HV。USRP处理后，这些区域的表面微观硬度分别增加到422.8 HV、426.93 HV、448.87 HV和445.83 HV。值得注意的是，BM和HAZ表面的硬度提升更为明显。硬度提升的主要机制是USRP引起的晶粒细化。在BM和HAZ表面区域，原本的粗晶微观结构转变为接近表面的纳米晶层，而TMAZ和WZ表面的细晶粒大小变化不那么显著。因此，BM和HAZ表面的硬度提升更为明显。此外，图6中的TEM分析显示，BM的次表面区域保留了较大的α相晶粒，与WZ次表面的细化微观结构相比。这解释了为什么USRP处理后BM的硬度低于WZ。USRP处理前后的表面粗糙度是影响接头疲劳性能的关键因素。图6展示了USRP对接头表面粗糙度的影响。如图6(a)所示，加工过程中产生了明显的工具痕迹、微坑和划痕。这些缺陷在服役过程中会成为应力集中点，显著缩短接头的疲劳寿命。USRP处理后，试样的表面质量显著改善，如图6(b)所示。USRP引起的接头表面塑性变形消除了机器缺陷。此外，在轧制过程中，USRP工具还磨光了接头表面，也有助于消除表面缺陷。为了定量评估USRP处理前后的表面粗糙度，对接头表面进行了三维形态测量，结果分别显示在图6(c)和(d)中。对比分析表明，USRP处理后，接头表面粗糙度参数Sa从最初的1.782 μm降低到0.931 μm，减少了48%。因此，可以推断USRP有效地消除了接头表面缺陷并降低了表面粗糙度，从而显著提高了接头表面的完整性。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图6. TC17 LFW接头的表面粗糙度 (a) USRP处理前，(b) USRP处理后。图7展示了USRP对TC17 LFW接头残余应力分布的影响。USRP处理前，接头表面的残余应力约为-200 MPa，这是由于热处理后切削工具与接头表面之间的相互作用所致。相反，焊接接头内部的残余应力几乎可以忽略不计（接近0）。试样经过USRP处理，处理条件为静压200 N、10次轧制和25 μm的幅度。相对较多的轧制次数确保了所有区域的充分均匀强化。因此，不同区域（BM、HAZ、TMAZ、WZ）的残余应力分布相似，这与PWHT和充分USRP强化的综合效应一致。USRP处理后接头表面，所有区域都检测到了显著的压缩残余应力。图8展示了USRP对TC17 LFW接头不同区域微观硬度分布的影响。USRP处理前，BM、HAZ、TMAZ和WZ表面的微观硬度值分别为385 HV、388 HV、420 HV和420 HV。USRP处理后，这些区域的表面微观硬度分别增加到422.8 HV、426.93 HV、448.87 HV和445.83 HV。值得注意的是，BM和HAZ表面的硬度提升更为明显。硬度提升的主要机制是USRP引起的晶粒细化。在BM和HAZ表面区域，原本的粗晶微观结构转变为接近表面的纳米晶层，而TMAZ和WZ表面的细晶粒大小变化不大。因此，BM和HAZ表面的硬度提升更为明显。此外，图6中的TEM分析显示，BM的次表面区域保留了较大的α相晶粒，与WZ次表面的细化微观结构相比。这也解释了为什么USRP处理后BM的硬度低于WZ。图8展示了USRP对TC17 LFW接头不同区域微观硬度分布的影响。USRP处理前，BM、HAZ、TMAZ和WZ表面的微观硬度值分别为385 HV、388 HV、420 HV和420 HV。图9系统研究了USRP对TC17 LFW接头疲劳性能的影响，研究了不同应变幅度（0-0.0073、0-0.0093和0-0.0113 mm/mm）下的影响，结果表明随着应变幅度的增加，强化效果逐渐减弱。应变依赖性行为可以归因于USRP引起的表面改性与施加应力条件之间的竞争。在低应变循环载荷（0-0.0073 mm/mm）下，轴向应力相对较低。USRP引起的显著粗糙度减少、显著的压缩残余应力场和晶粒细化能有效抑制疲劳裂纹的起始，显著延长疲劳寿命。相反，在较高应变幅度（0-0.0113 mm/mm）下，施加的应力几乎高于TC17的屈服强度。然后，高应变和应力降低了USRP对疲劳过程的相对贡献，从而降低了疲劳寿命的延长效果。图10展示了应变幅度为0-0.0093 mm/mm时接头的疲劳试验后的断裂行为。图10显示，所有试样的断裂位置从WZ附近的区域（未经处理状态）转移到了USRP处理后的BM区域。试样的微观切片分析表明，未经USRP处理的试样恰好在焊核与HAZ的界面处断裂。相比之下，经过强化的试样的疲劳断裂位置远离了这一脆弱区域。断裂位置的迁移是USRP提高疲劳寿命的主要因素。图11展示了USRP处理前后TC17 LFW接头的断裂表面。图11(a)-(c)显示了未经USRP处理的接头，图11(d)-(f)展示了USRP处理的接头。未经USRP处理的接头，疲劳裂纹起源于表面；而经过USRP处理的接头，疲劳裂纹起源于次表面，疲劳裂纹的起始位置明显不同。USRP处理为接头创建了一个保护性表层，有效抑制了表面裂纹的起始，同时促进了更稳定的裂纹扩展，这一点通过清晰的疲劳裂纹特征得到了证明。图11展示了USRP处理的接头在疲劳寿命延长方面的综合效果。图13研究了USRP引起的TC17 LFW接头疲劳寿命延长的机制。在0-0.0093 mm/mm的应变幅度下进行了中断疲劳试验。疲劳试验分别在25000循环和50000循环时中断。如图12所示，系统比较了不同疲劳阶段（初始状态、25000循环、50000循环和最终断裂）下USRP处理接头的微观结构演变，发现表面强化效果逐渐降低。塑性变形层的厚度从初始的7.64 μm减少到25000循环后的3.04 μm（减少了60.2%），进一步减少到50000循环后的2.40 μm（减少了68.6%），最终在疲劳失效时降至1.10 μm（减少了85.6%）。图12(a1)-(a4)显示了USRP处理25000、50000和最终疲劳断裂后TC17 LFW接头的微观结构比较：(a1)-(a4) BM；(b1)-(b4) HAZ；(c1)-(c4) TMAZ；(d1)-(d4) WZ。图12(a1)中BM的明显强化层随着疲劳循环次数的增加而逐渐变薄，在最终断裂的接头中几乎无法检测到。除了BM之外，HAZ、TMAZ和WZ内的强化层变化也相似。根据我们之前的研究[24]，USRP引入的高密度位错和纳米级晶粒在循环应力作用下会发生结晶和晶粒生长，从而导致表层结构的改变。因此，如图12所示，接头表面的梯度微观结构逐渐退化。高密度的晶界和位错可以有效延缓裂纹的产生，从而提高疲劳寿命。然而，表面强化层的退化降低了接头的疲劳抵抗力。图13显示了经过USRP处理的TC17 LFW接头在不同疲劳阶段（初始状态、25000次循环、50000次循环和最终断裂）的表面粗糙度。在疲劳测试过程中，滑移和位错的演变是形成如微裂纹等表面缺陷的关键因素，这会导致疲劳裂纹的产生。表面缺陷的增加导致接头表面粗糙度的上升，Sa值从0.931 μm增加到1.024 μm、1.109 μm和1.267 μm。随着表面粗糙度的提高，Sa值增加，接头的疲劳抵抗力降低。此外，断裂接头的Sa值为1.267 μm，也低于未经USRP处理的初始接头。

图13. 经过USRP处理的TC17 LFW接头在不同疲劳循环（25000次、50000次和最终疲劳断裂）后的表面粗糙度比较：(a) USRP处理后的接头；(b) 25000次循环后的接头；(c) 50000次循环后的接头；(d) 疲劳断裂后的接头。

图14展示了USRP处理的TC17 LFW接头在不同疲劳阶段（包括初始状态、25000次循环、50000次循环和最终断裂）的表面残余应力比较。疲劳测试前，BM、HAZ、TMAZ和WZ区域的残余应力分别为-792.18 MPa、-807.58 MPa、-816.85 MPa和-784.36 MPa。在疲劳测试过程中，不同区域的残余应力有所松弛。通过比较图14中的残余应力值可以看出，不同区域的残余应力松弛速率类似。疲劳测试后，BM、HAZ、TMAZ和WZ区域的残余应力分别降低了428.06 MPa、444.63 MPa、417.58 MPa和406.42 MPa，分别降低了54%、55.1%、51.1%和51.8%。通常而言，接头表面压缩残余应力的松弛对疲劳裂纹抵抗力是不利的。值得注意的是，25000次循环后残余应力基本保持稳定，表明稳定的残余应力场能够提供长期的疲劳抵抗力，并有效抑制剩余疲劳寿命中的表面裂纹产生。

图14. 经过USRP处理的TC17 LFW接头在不同疲劳循环（25000次、50000次和最终疲劳断裂）后的表面残余应力比较。

疲劳过程中残余应力的松弛受多种机制控制。中断疲劳测试的应变范围为0–0.0093 mm/mm，该范围内的施加载荷超过了TC17钛合金的屈服强度。因此，在疲劳加载过程中，焊接接头不可避免地会发生循环塑性变形，这是残余应力松弛的主要贡献因素之一。同时，材料表现出明显的循环软化行为：在反复加载下，其强度下降，超声强化层退化，无法维持初始的高残余应力。这一点通过图12中的微观结构演变得到了支持，疲劳循环导致的表面硬度降低进一步验证了表面强度的减弱。由于测试频率低至0.33 Hz，因此没有观察到显著的温度升高，热效应对残余应力松弛的影响可以忽略不计。

图15展示了USRP处理的TC17 LFW接头表面在不同疲劳阶段（初始状态、25000次循环、50000次循环和最终断裂）的深度方向上的显微硬度分布。疲劳加载过程中，接头的梯度微观结构退化，晶粒生长和位错恢复不可避免，导致强化表层的显微硬度下降。此外，残余应力影响显微硬度的测量，疲劳过程中残余应力的松弛也导致接头强化层的显微硬度降低。因此，USRP处理接头各区域的强化表层发生了软化。疲劳断裂后，接头表面的显微硬度略高于基材，而受强化影响层的深度从大约1000 μm减小到约300-400 μm。此外，在疲劳测试的初期阶段，表面显微硬度的降低更为明显，而在疲劳过程的中间和后期阶段，显微硬度降低的速率逐渐减缓。以基材（BM）区域为例，初始表面硬度约为423 HV。在循环加载过程中，硬度降解表现出明显的两阶段行为：在前25000次循环内迅速降至410 HV，降低了约3.07%，随后软化速率逐渐放缓，在50000次循环时降至403 HV，最终在断裂时降至397 HV，分别比初始值降低了约4.73%和6.15%。

图15. 经过USRP处理的TC17 LFW接头在不同疲劳循环（25000次、50000次和最终疲劳断裂）后的显微硬度比较：(a) BM；(b) HAZ；(c) TMAZ；(d) WZ。

基于上述讨论，图16总结了USRP诱导的TC17 LFW接头疲劳寿命增强的机制。

首先，由于接头界面处的严重变形，TC17 LFW接头的微观结构是不均匀的，而PWHT去除了残余应力。在疲劳过程中，由于微观结构的不均匀性，应力和应变集中在特定区域，从而损害了接头的微观结构和力学性能。随着微观结构的持续退化和性能的恶化，疲劳裂纹开始产生并扩展，最终导致接头发生疲劳失效。

其次，USRP显著改变了接头的微观结构、应力和力学性能的分布。通过对USRP处理后TC17 LFW接头表面完整性的分析，发现接头表面区域形成了梯度压缩应力、微观结构和硬度。此外，USRP还显著提高了接头的表面粗糙度。

第三，USRP处理后表面完整性参数的稳定性得到了改善。如图12所示，USRP引起的塑性变形层在疲劳过程中迅速退化：25000次循环后其厚度减少了60.2%，在断裂时减少了85.6%。相比之下，表面粗糙度相对稳定。初始的Sa值为0.931 μm，在断裂时仅增加到1.267 μm，其退化速度远慢于强化层。对于残余应力（图14），即使在断裂时，BM、HAZ、TMAZ和WZ区域仍保持明显的压缩残余应力，这有效抑制了裂纹的产生和扩展。根据这些定量结果，残余应力和表面粗糙度被认为是提高疲劳性能的主要因素。

最后，USRP处理后接头的表面完整性与其初始状态相比具有显著差异，这显著影响了后续的疲劳行为。由于表面完整性的演变，接头的疲劳过程可以分为两个阶段：第一阶段：USRP引起的表面完整性退化。根据中断疲劳测试的结果，随着疲劳测试的进行，微观结构、表面粗糙度、残余应力和显微硬度的特性逐渐减弱并消失。第二阶段：接头的疲劳失效。在第一阶段之后，接头的表面完整性与未经过USRP处理的接头相似。在第二阶段，接头在疲劳载荷下的疲劳损伤和断裂与未经过USRP处理的接头相同。因此，第二阶段被认为是USRP增强TC17 LFW接头寿命的原因。

4. 结论

分析了USRP对TC17 LFW接头表面完整性的影响，并研究了接头的疲劳失效情况。最后，基于中断疲劳测试揭示了USRP诱导的接头疲劳寿命增强机制。主要结论如下：

(1) 由于USRP的作用，接头表面完整性发生了显著变化。接头表面区域由非晶层、纳米晶区域和位错密集区域组成。接头表面粗糙度参数Sa从初始的1.782 μm降低到0.931 μm，减少了48%。接头表面区域的残余应力约为-800 MPa，在大约800 μm的深度处降至零。接头表面区域的显微硬度也呈梯度分布。

(2) 在0–0.0073 mm/mm、0–0.0093 mm/mm和0–0.0113 mm/mm的应变幅度下，USRP处理的接头疲劳寿命显著提高。这种应变依赖性行为是由于USRP引起的表面改性与施加应力条件之间的竞争所致。

(3) 通过中断疲劳测试揭示了USRP处理后接头表面完整性的演变。在疲劳载荷下，USRP引起的微观结构、表面粗糙度、残余应力和显微硬度的特性首先消失。然后，接头的微观结构、应力和性能继续恶化，直至疲劳断裂。USRP引起的表面完整性退化占据了疲劳循环的很大一部分，这是寿命增强的关键因素。

**作者贡献声明：**

黄凯轩：可视化、研究。
张凯明：方法学、研究。
田富强：监督、数据整理。
宋有福：写作－初稿撰写、数据整理。
刘嘉涛：数据整理。
史俊淼：写作－审稿与编辑、资金获取。