TC17钛合金作为航空发动机风扇及整体叶盘的核心用材，其疲劳失效会导致极高的更换成本。激光冲击喷丸（LSP）作为先进的表面塑性变形强化技术被广泛应用于提升该合金的疲劳性能，但LSP的光斑重叠和扫描路径易造成喷丸效果不均，引发表面应力集中反而降低疲劳寿命。现有研究通常仅仅从单一的维度评价LSP喷丸均匀性，缺乏对喷丸均匀性和TC17钛合金疲劳性能的关联性系统深入研究，也无综合的表面完整性均匀性定量评价方法，因此需要开展相关研究以探究二者关联及调控机制。

近日，中国航发北京航空材料研究院等单位研究人员针对不均匀激光冲击喷丸(LSP)引起的疲劳寿命下降问题，对TC17钛合金进行了不同扫描方式的LSP处理，以改善表面完整性，特别是改善了合金表面的均匀性。相关结果以“How laser shock peening homogeneity governs fatigue performance of TC17 titanium alloy”为题被发表在期刊《International Journal of Fatigue》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2025.109427

【核心内容】

该研究针对TC17钛合金开展不同扫描策略的LSP实验，探究喷丸均匀性对其疲劳性能的调控机制，提出基于加权法的表面完整性均匀性定量评价方法。发现LSP的光斑重叠率和扫描路径显著影响喷丸效果，50%重叠率+旋转扫描能实现最优的表面完整性均匀分布，同时证实表面完整性均匀性可有效降低局部应力集中失效风险，弥补低表面完整性幅值的不利影响。且表面完整性幅值提升能抑制疲劳裂纹萌生与扩展，为LSP工艺的工程应用提供了重要指导。

LSP在TC17合金上均匀性和振幅的影响机制

【研究成果】

① 确定最优LSP工艺

在50%重叠率和旋转扫描方式下，TC17钛合金具有最优的喷丸策略。该工艺下能够实现表面完整性的最优均匀分布，在660MPa最大施加应力下，其疲劳寿命较原始试样被提升了3.9倍，且疲劳寿命离散性最小，性能稳定性最优。

采用不同工艺处理的TC17合金的振动疲劳试验结果和平均疲劳寿命

② 明确工艺参数调控规律

重叠率主导表面完整性幅值，随重叠率升高，表面压应力幅值增大且晶粒细化程度提升，但表面粗糙度也随之增加。而扫描路径主导表面完整性均匀性，旋转扫描可抵消之字形扫描的塑性变形累积效应，其表面粗糙度、残余应力及微观组织的分布均匀性远优于之字形扫描。

LSP处理的重叠区域表面形貌

对照（AR）试样以及采用LSP处理处理的试样，采用（a）之字形扫描路径和（b）旋转扫描路径处理样品的表面残余应力测量

③ 提出均匀性定量评价方法

基于皮尔逊相关系数筛选出表面粗糙度（Sa）、表面残余应力（σ）、低角度晶界占比（LAGBF）三个独立核心指标，通过随机森林分析确定三者对疲劳寿命的贡献度为27%、42%和31%，并作为权重建立加权均匀性系数（E）评价模型，实现对LSP后表面完整性均匀性的综合定量表征，解决了传统单维度评价的局限性。

TC17合金试样的横截面EBSD显微图像

不同处理方式下样本的平均粒度(a)和LAGBs比例(b)的平均振幅和系数变化

表面完整性因素的相关系数(a)及其对中值振动疲劳寿命的贡献度(b)

④ 揭示疲劳性能调控机制

表面完整性幅值提升可有效抑制疲劳裂纹萌生与扩展，推动裂纹形核位点从表面向亚表面迁移，降低裂纹扩展速率。表面完整性均匀性提升可减少局部应力集中区域，降低裂纹萌生效风险，显著减小疲劳寿命离散性。均匀性与幅值存在协同作用，良好的均匀性可弥补低表面完整性幅值的不利影响，提升合金疲劳耐久性。

表面完整性振幅、均匀系数与疲劳性能之间的关系示意图

⑤ 量化工艺对疲劳失效的影响

随LSP重叠率升高，疲劳裂纹形核位点数量减少且向亚表面迁移，疲劳辉纹宽度变窄，裂纹扩展速率降低。相同重叠率下，旋转扫描试样均为单一形核位点，之字形扫描存在多形核位点，证实均匀性是影响裂纹萌生源的关键因素。

AR试样的疲劳断裂（N_f=5.2×10⁴）SEM图

之字形扫描试样的疲劳断裂SEM图

旋转扫描试样的疲劳断裂SEM图

【总结与展望】

该研究明确了激光冲击喷丸的重叠率和扫描路径对TC17钛合金表面完整性及疲劳性能的调控规律，确定50%重叠率搭配旋转扫描为最优工艺，其能实现表面完整性的均匀分布，使合金振动疲劳寿命较原始试样提升3.9倍，同时提出的加权法定量评价模型，也为喷丸均匀性评估提供了全新的综合方法。后续可补充喷丸工艺对合金拉伸性能的测试分析，以完善该工艺对TC17钛合金综合力学性能的调控研究，进一步推动其工程化应用。