β钛合金在航天航空等领域一直是关键结构件的首选材料，但这类构件中的连接孔在服役过程中由于承受变载荷和小振幅的相对滑动，极易引发微动裂纹萌生并最终导致微动疲劳断裂。目前已有相关的研究表明，在材料表面引入高且深的压缩残余应力层，可有效抑制疲劳裂纹的萌生和扩展。然而，无论是常用的喷丸处理还是激光冲击，单一的表面强化技术难以同时兼顾高压缩残余应力和大的残余应力深度。

近日，西北工业大学&香港理工大学通过先激光冲击强化（LSP）后喷丸强化（SP）的顺序工艺，在TB6β钛合金表面实现了高达-713MPa、深度达1148μm的压缩残余应力层，将微动疲劳寿命提升至超过200万次循环，较未处理态提高了13倍以上，为航空发动机等关键承力构件的抗疲劳设计提供了全新的技术路径。目前这一成果在线发表于国际塑性力学顶级期刊《International Journal of Plasticity》，论文题为“Enhancing surface compressive residual stress and its depth in TB6 alloy via sequentially activated plasticity mechanisms for exceptional fretting fatigue life”。西北工业大学的罗皎教授和香港理工大学的傅铭旺教授为本论文的通讯作者。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104731

【核心内容】

该研究首先利用LSP在TB6合金表层引入较大深度的塑性应变和压缩残余应力层，随后进行SP进一步提高表层塑性应变和残余应力幅值，LSP在α_p、α_s和β三相中激发位错增殖，并在α_s相中诱导{10-11}<10-12>孪晶；后续的SP则在αp相中进一步激发更高密度的位错和{10-12}<-1011>孪晶，同时在α_s相中形成纳米晶，在β相中形成位错胞状结构。

【研究成果】

① 残余应力与微动疲劳寿命的协同提升

随着LSP激光功率密度从7.22增加到10.83GW·cm^-2（LSP10.83），最大压缩残余应力从-331MPa增至-530MPa，残余应力深度从884μm增至1090μm，经后续SP处理后，最大压缩残余应力进一步达到-713MPa，残余应力深度基本保持不变，同时，LSP-SP处理后α_p相表面的平均KAM值提升至1.40°，表明更大的塑性应变产生了更高的压缩残余应力，微动疲劳寿命测试时2×10⁶次循环后仍未发生断裂。

不同LSP参数及LSP-SP处理后TB6合金的残余应力分布、与其他工艺的残余应力对比及微动疲劳寿命

LSP和LSP-SP处理后TB6合金表层α_p相的EBSD表征

② α_p相中{10-12}<-1011>孪晶的原子尺度机制

LSP-SP样品的α_p相中形成了{10-12}<-1011>孪晶，其取向差角接近理论值，TEM表征时清晰可见孪晶基体中存在大量<c+a>螺位错，并且基面堆垛层错频繁出现在基体中，而孪晶内部则无SF。分子动力学模拟进一步证实，SF引起的局部高剪切应变促进了{10-12}<-1011>孪晶的形核，且SF改变了基面堆垛顺序，进而影响了孪晶变体的选择。

LSP10.83-SP样品α_p相中{10-12}<10-11>孪晶、<c+a>位错及基面堆垛层错（SF）的TEM分析

分子动力学模拟揭示基面堆垛层错（SF）促进α_p相中{10-12}<10-11>孪晶形核并影响变体选择

分子动力学模拟揭示基面堆垛层错引起的原子层堆垛顺序变化对{10-12}<10-11>孪晶变体选择的原子尺度机制

③ α_s相中{10-11}<10-12>孪晶与相变机制

与α_p相不同，α_s相中优先激活的是{10-11}<10-12>孪晶，该孪晶呈薄带状，孪晶界与表面约成45°角。此外，α_s相中还发生了HCP→FCC/9R相变，形成了交替的FCC/9R结构，并在FCC相内出现了{111}孪晶。{10-11}<10-12>孪晶界具有较高的KAM值，说明容纳了较大的局部应变，针状α_s相因沉淀过程中宽面附近产生的压应力，倾向于选择沿Y轴方向应变分量最小的孪晶模式，而{10-11}<10-12>孪晶恰好满足这一条件，尽管其临界分切应力高于{10-12}<-1011>孪晶。

LSP10.83样品不同深度处α_s相中{10-11}<10-12>孪晶的TEM形貌及取向分析

LSP10.83样品表层α_s相中的位错增殖、小角度晶界形成及HCP→FCC/9R相变

LSP10.83样品表层α_s相中{10-11}<10-12>孪晶界的EBSD鉴定及应变分布

④ β相位错滑移与α/β界面变形协调

无论LSP还是SP，β相的塑性变形均由{110}<111>滑移系上的刃型位错主导，在LSP条件下塑性应变0.02时仅观察到少量清晰的位错线。而在SP条件下，高位错密度导致位错缠结和胞状结构形成，甚至在最表层出现纳米晶化。这说明β相的位错类型对应变率不敏感，而位错密度主要受塑性应变量控制，当β相激活{110}<111>滑移系时，与α相常见滑移和孪晶系统的几何兼容因子均接近1，说明α/β界面能够很好地传递塑性变形，确保了各深度处残余应力的均匀性。

LSP10.83和LSP10.83-SP样品中β相的位错滑移（{110}<111>系统）、位错胞结构及纳米晶化演变

LSP10.83-SP样品中β相与α相之间的塑性变形传递（滑移-滑移和滑移-孪晶传递）

⑤ 梯度微观结构的多尺度表征

LSP处理后α_p相形貌无明显变化，而LSP-SP处理后α_p相中出现薄片状{10-12}<-1011>孪晶，且最表层形成了厚度约570nm的纳米晶层，LSP后α_p相中仅存在少量位错，而SP后α_p相中位错密度急剧升高，并出现明显的晶格旋转，同时αₛ相被拉长细化，形成大量纳米晶，其中位错缠结严重，且在纳米晶内观察到基面堆垛层错，这种梯度结构是实现高压缩残余应力和优异疲劳性能的结构基础。

LSP和LSP-SP处理后TB6合金表层α_p相的SEM形貌及纳米晶层

LSP10.83样品表层α_p相的低密度位错及低晶格畸变

LSP10.83-SP样品表层α_p相的高密度位错、<c+a>型螺位错及晶格旋转

LSP10.83-SP样品表层α_s相被拉长、细化成纳米晶，以及亚表层高密度位错和位错缠结的TEM表征

【总结与展望】

团队提出的“激光冲击强化+喷丸”顺序激活塑性机制的新策略，成功解决了单一表面强化技术无法同时实现高压缩残余应力和大残余应力深度的技术难题，为航空发动机叶片、起落架等关键钛合金构件的抗微动疲劳设计提供了全新的技术方案。