激光喷丸：提高增材制造零件疲劳寿命

增材制造是一项变革性技术，可用于快速成型制造以及传统减材工艺无法生产的复杂几何形状的零件。然而，与传统减材制造相比，增材制造工艺通常会导致零件材料性能降低，特别是抗疲劳性。这种性能下降通常源于多种缺陷，包括空隙、粗糙的印刷表面光洁度、热影响和微观结构控制。其中一些缺陷可以通过后处理技术来缓解，例如，增材制造零件的表面光洁度可以通过机械加工工艺（切割、研磨、抛光等）来改善。虽然采用机械加工改善增材制造部件的表面质量可以提高疲劳寿命，但由此产生的改进可能并不大，并且一定成都抵消了增材制造工艺灵活性的优势。此外，热等静压也是常用于后处理增材制造零件的工艺技术，用于用于减少材料内部缺陷。总的来说，这些处理都增加了增材制造的时间和成本。

一种可以缓解许多问题的潜在解决方案是激光喷丸（激光冲击强化）。通过在零件表面提供深的压缩残余应力，可以减轻表面光洁度和空隙缺陷的有害影响。

对增材制造Ti-6Al-4V测试试样进行激光喷丸处理，以确定激光喷丸（LSP）对疲劳寿命的益处。这些测试试样在没有应用不透明覆盖层（LSP-Bare）的情况下进行LSP处理，并与热等静压（HIP）和机械加工的样品进行比较。对这些测试试样检测了残余应力，并与图1中的HIP和机械加工表面进行了比较。结果表明激光喷丸后表面产生了残余应力，最大压应力达到-600MPa，压应力深度达到0.8mm。这些表面强化后应力远远超出了基材的残余应力，能够对材料起到很好的保护作用。

图1：深度残余应力（0°和 90°方向）

对增材制造的 Ti-6Al-4V 样品进行了四点弯曲疲劳测试，以评估激光喷丸产生的疲劳寿命改进，并与基线数据进行比较（结果如图2所示）。与未喷丸的试样相比，激光喷丸后的平均疲劳寿命提高了13 倍。使用有限的数据集观察到疲劳寿命的巨大变化，并追溯到表面孔隙率的巨大变化。即使在最坏的情况下，LSP的疲劳寿命也比基线至少提高了7倍。

图2：四点弯曲疲劳结果

这项初步工作表明，激光喷丸会产生压缩残余应力并延长增材制造零件疲劳寿命。