共聚焦显微镜揭示?|?激光冲击强化LSP对钛合金微动磨损性能的影响

钛合金因密度小、比强度高，广泛应用于航空航天紧固结构件，但服役中易因微动磨损引发疲劳断裂。激光冲击强化（LSP）作为新兴表面技术，可通过改善表面性能提升抗微动能力。光子湾科技深耕高端光学精密测量与材料力学性能评估领域，可为实验研究提供三维成像表征支持。本文借助共聚焦显微镜等技术，系统探究LSP 对钛合金微动磨损性能的影响。

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实验材料与方法

1. 实验材料

采用退火轧制态 TC4 和 TB6 钛板，TC4 用于探究激光参数影响，TB6 用于分析位移幅值作用，均加工为标准试样。

2. 激光冲击强化处理

Nd:YAG 激光器，铝箔为吸收层、流水为约束层，波长 1064nm，能量 30J，脉宽 21ns。TC4 用 4.5mm 圆斑，搭接率 20%~40%，冲击 1~2 次；TB6 用 3.7mm 方斑，20% 搭接率，冲击 1 次。

3. 表征与实验方法

共聚焦显微镜测表面轮廓与粗糙度。在 SRV-IV 试验机进行球 / 平面接触实验，上样 Φ10mm TC4 球，下样 Φ24mm×8mm 钛柱。参数：室温 25℃，载荷 100N，频率 20Hz，时间 60min；变量为位移幅值（25~100μm）或激光参数。

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激光冲击强化对钛合金表面完整性的影响

共聚焦显微镜观测激光冲击试样表面三维形貌

（a）2 次冲击 20%搭接率 低倍；（b）2 次冲击 20%搭接率 高倍；

（c）2 次冲击 40%搭接率 低倍；（d）2 次冲击 40%搭接率 高倍

表面粗糙度与轮廓：原始表面粗糙度0.165μm，LSP 后增至 0.220~0.367μm。随搭接率提高，表面起伏趋缓，2 次冲击下 40% 搭接率粗糙度降至 0.283μm；冲击次数增加则粗糙度增大。共聚焦显微镜三维成像显示，LSP 后表面形成周期性织构，高搭接率呈网状。

表层硬度：原始硬度324HV，LSP 后形成约 450μm 硬化层，2 次冲击、40% 搭接率时达 463.3HV，因能量输入增加加剧塑性变形与加工硬化。

残余应力：LSP 引入深层残余压应力，1 次冲击应力层深约 1.1mm，2 次冲击增至 1.3mm，表面最大残余压应力达 - 604MPa（2 次冲击、40% 搭接率）。

晶粒细化：原始晶粒17.45μm，LSP 后细化至 11.77~15.50μm，2 次冲击效果更显著。EBSD 显示小角度晶界占比随冲击次数降低，位错运动促使亚晶界向大角度转变。

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位移幅值对LSP钛合金微动磨损行为的影响

不同位移幅值下磨痕三维成像轮廓图：

（a）原始试样25μm；（b）LSP试样25μm；（c）原始试样50μm；（d）LSP试样50μm；

（e）原始试样75μm；（f）LSP试样75μm；（g）原始试样100μm；（h）LSP试样100μm

摩擦系数：小幅值（25~50μm）时 LSP 高于原始（25μm 时 0.25 vs 0.16），因粗糙度增剧粘着；大幅值（75~100μm）时 LSP 降低（100μm 时 0.6 vs 0.7），因硬化层抑塑性变形。

磨损体积与形貌：共聚焦显微镜观察到，小幅值下LSP 粘着体大且完好，基体无磨损；大幅值下 LSP 体积显著减小，磨痕浅（69.6 vs 97.5μm），剥层坑缓。

磨损机制：小幅值以粘着磨损为主，LSP 加剧；大幅值以磨粒与剥层磨损为主，LSP 通过细化磨粒、残余压应力抑裂纹减损伤。

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激光冲击强化参数对微动磨损性能的影响

不同激光冲击试样磨损体积对比

搭接率与冲击次数通过调控表面完整性影响性能：

磨损体积：随二者增加，磨损体积降低，2 次冲击、40% 搭接率时最小，较 1 次冲击、20% 搭接率降低约 30%，因高搭接率降粗糙度、高冲击次数提硬度与残余应力。

磨损机制：1 次冲击后，磨痕中心剥层明显，边缘大块磨屑致严重磨粒磨损；2 次冲击后，剥层减弱，边缘磨粒细化（约 5μm），形成致密第三体层保护基体，氧化磨损加剧。

表面完整性作用：搭接率增加通过降粗糙度减磨粒切削；冲击次数增加通过提硬度（抗犁削）与残余应力（抑裂纹）提升性能，强化效果超粗糙度增加的不利影响。

激光冲击强化通过改变钛合金表面完整性影响微动磨损：随冲击次数与搭接率提升，硬度、压应力增大，高搭接率降粗糙度，晶粒更细；小位移LSP 剧粘着磨损，大幅值降摩擦系数、减体积，通过抑裂纹与细化磨粒改善；优化参数显著提抗磨性，机制与硬化、压应力及第三体层相关。光子湾科技凭借表面粗糙度测量与三维成像可为表面强化与磨损机制研究提供支持，助力材料性能优化。

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光子湾3D共聚焦显微镜

光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

超宽视野范围，高精细彩色图像观察

提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析功能

采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

光子湾共聚焦显微镜以原位观察与三维成像能力，为研究LSP 对钛合金微动磨损性能的应用价值提供表征技术支撑，助力从表面粗糙度分析到性能优化的精准把控，成为推动航空航天等高端制造领域质量升级的重要光学测量工具。

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