传统合金强化机制在超高温和高应变率等极端条件下难以精准控制，易导致强化效果减弱或材料性能退化。而激光冲击加工中的纳秒激光冲击喷丸（NLSP）虽能实现一定强化，但冲击压力有限且热效应显著。但飞秒激光冲击喷丸（FLSP）凭借其超高峰值压力和低热效应的优势，已被证实具备诱导材料相变的潜力，却缺乏对其引发金属键断裂与超快相变的核心机制解析，也缺少系统性的工程化调控策略，因此需要通过实验与模拟结合的方式，揭示FLSP诱导相变的规律，建立压力调控下纳米强化相可控析出的方法，为高性能合金设计提供新路径。

近日，武汉大学研究人员通过FLSP精确地诱导纳米级的强化相，显著提高了合金的性能。同时，首次观察到了FLSP诱导的金属键断裂和纳米强化相的析出，展示了其在可控相变强化方面的潜力，并揭示了其潜在的机制。相关研究以“Ultrafast phase transformation and strengthening mechanisms in alloys induced by femtosecond laser shock: a novel strategy for intermetallic control”为题被发表在期刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》上，通讯作者为武汉大学杨晶晶和王度老师。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2025.104292

【核心内容】

该研究开发了一种利用飞秒激光冲击喷丸强化合金的新方式，借助飞秒激光产生的超强峰值冲击压力，打破金属键的断裂极限，实现了材料微观结构在原子层面的改性优化。研究选取CuSn合金作为具体研究对象，将实验测试与分子动力学（MD）模拟相结合，构建出随压力变化的相变规律体系，明确了让金属键发生断裂的临界压力数值。通过调节激光能量密度，能够精准控制相变过程，成功诱导合金中析出纳米级的FeSn强化相，让CuSn合金的表面硬度从136HV提升到了174HV。这一成果为极端环境下金属材料的微观结构设计与性能优化，提供了一种切实可行的新思路。

图形摘要

【研究成果】

① 明确相变机制

研究发现，当飞秒激光冲击喷丸（FLSP）产生的冲击压力超出δ相的原子模量时，δ相会发生局部分解，而Fe原子会在δ相所在区域聚集。随着过程推进，会依次经历“L₂→Fe₅Sn₃→Fe₃Sn₂+α-Fe→FeSn+α-Fe”的相变过程，最终形成球形α-Fe、棒状δ相与多边形FeSn共同存在的复合强化结构，其中起核心强化作用的是纳米级的FeSn相。

DLF+FLSP样品的TEM图像

CuSn合金在1.5 J/cm²能量密度飞秒激光冲击处理下的相变模拟机制

② 调控规律清晰

能量密度1.25J/cm²时为最优参数，该条件下析出40nm FeSn 相，其体积分数占比约1.5%。而能量密度小于1.25J/cm²时无FeSn析出，大于1.25J/cm²容易形成微米级α-Fe削弱强化效果。

DLF+FLSP样品中纳米尺度第二相的TEM图像

③ 性能显著提升

CuSn合金表面硬度从136HV被提升到174HV，该数值增加了27.9%。同时，晶粒尺寸从20μm被细化到6.25μm，且位错密度达11.0×10¹⁴ m⁻²，残余应力从349MPa的拉应力转变为-437MPa压应力。

DLF和DLF+FLSP样品的(a) GNDs, (b) 平均晶粒直径, (c) 表面硬度, 和 (d) 表面残余应力

④ 强化贡献量化

在0.75~1.0J/cm²的低能量密度下，材料以晶粒细化和位错增殖强化为主。而在1.25~1.5J/cm²的高能量密度下，材料新增了第二相强化。其中1.25J/cm²的能量密度下第二相强化的贡献占比为18.1%，实现了三者协同最大化。

在飞秒激光冲击处理过程中，细晶强化、位错强化和第二相强化的贡献对硬度的提高

在增加冲击压力的飞秒激光冲击处理过程中，晶粒细化、位错强化和相变诱导的第二相强化

⑤ 技术优势凸显

相比纳秒激光冲击喷丸（NLSP），FLSP冲击压力高2个数量级、表面粗糙度较8.096μm降低到了0.272μm，且能诱导NLSP无法实现的相变强化，微观调控更精准。

CuSn合金的纳秒激光冲击和飞秒激光冲击表面粗糙度、晶粒尺寸分布、塑性变形及缺陷愈合效果的比较

【总结与展望】

这项研究结合实验测试与分子动力学模拟，全面摸清了飞秒激光冲击喷丸（FLSP）让CuSn合金发生超快相变的内在机制和调控方法。研究提出了一种全新的合金强化思路，即利用FLSP产生的超高压突破金属键的承受极限，让合金中可控地析出纳米级FeSn强化相，最终实现晶粒细化、位错强化与第二相析出的协同作用。经FLSP处理后，CuSn合金的硬度得到明显提升，表面性能也比传统纳秒激光冲击喷丸（NLSP）更出色，为极端环境下材料微观结构的设计与性能优化，提供了一套切实可行的新方案。