关于Ti-6Al-4V平板激光冲击成形机理的实验研究

《Optics & Laser Technology》：Experimental study on the mechanism of laser shock forming of Ti-6Al-4 V flat plates

　　本研究通过单点与重叠激光冲击实验，系统探究了板厚、激光功率密度和脉宽对TC4合金变形行为的影响，揭示了两种冲击模式的内在关联，并建立了预测数学模型。

　　
本文聚焦于钛合金激光冲击成形工艺参数与变形行为的关系研究，重点探讨了单点冲击与重叠冲击模式下的变形机制差异。研究团队针对TC4合金板材开展系统性实验，通过改变板厚（0.46-0.97mm）、激光功率密度（3.6-5.2GW/cm2）和脉宽（5-30ns）三个核心参数，对比分析单点冲击与多区域重叠冲击对变形特征的差异化影响。

在实验设计方面，研究采用自主研发的激光冲击系统（YS100-R200A型），通过可编程激光源实现能量精确控制（1-10J）与脉宽连续调节（5-30ns）。实验分为两个主要模块：单点冲击模式下不同厚度板材的成形特性研究，以及多区域重叠冲击下的协同变形机制分析。针对表面形貌观测，研究团队创新性地采用激光扫描共聚焦显微镜进行微区形变的三维重构，确保测量精度达到微米级。

研究发现，单点冲击的形变深度与板厚呈显著负相关，当板厚从0.46mm增至0.97mm时，中心变形深度下降约42%。这与冲击波在较厚板材中的衰减效应直接相关。同时，激光功率密度和脉宽对单点冲击的影响呈现双重作用机制：功率密度提升至5.2GW/cm2时，表面熔池体积增加约60%，但过高的能量密度会导致等离子体膨胀不充分；脉宽在20-30ns区间时，冲击波持续时间与材料热传导系数形成最佳匹配，使得塑性变形区扩大约35%。

在多区域重叠冲击场景下，变形特征表现出明显的尺度效应。实验数据显示，当相邻冲击点间距缩小至3mm以下时，变形区产生协同叠加效应，导致边缘区域位移量增加18%-25%。值得注意的是，这种协同效应与板材厚度呈现非线性关系：0.56mm和0.70mm板材在重叠冲击下边缘位移量分别达到12.3μm和8.7μm，而较厚的0.97mm板材因应力扩散范围扩大，边缘位移量反而降低至6.1μm。

工艺参数优化方面，研究团队建立了分阶段调控策略。对于单点冲击，推荐采用中等功率密度（4.0-4.5GW/cm2）配合较宽脉宽（25-30ns），这种组合在0.5-0.7mm板材中可实现最佳成形深度。当处理较厚的0.8-1.0mm板材时，建议提高功率密度至4.8-5.2GW/cm2，同时缩短脉宽至15-20ns，以有效抑制冲击波反射导致的应力反弹现象。

多区域成形策略创新性地引入"能量梯度叠加"概念。通过对比不同重叠次数（2-5次）和间隔（2-5mm）的实验数据，发现当重叠次数达到3次且间隔控制在2.5mm时，边缘区域位移量达到最大值（14.6μm）。这种优化不仅提升了成形效率，更使复杂曲面零件的加工精度提高约30%。研究特别指出，在重叠冲击中，前两次冲击的参数设置对最终成形质量贡献度超过75%，这为工艺优化提供了重要参考。

实验结果揭示了冲击波传播的独特规律：在单点冲击中，冲击波前缘压力梯度与材料动态屈服强度呈指数关系，当压力超过HEL的1.3倍时，塑性变形区深度与冲击波持续时间呈正相关。而在多区域冲击下，相邻冲击波的干涉效应导致应力场重新分布，当重叠区域超过40%时，边缘区域的残余应力密度下降约22%，同时塑性应变率提升15%。

研究团队还开发了基于物理信息神经网络（PINN）的预测模型，该模型通过融合材料本构关系与冲击波动力学方程，实现了成形深度的误差控制在±3%以内。特别是在处理异形曲面时，模型预测的位移分布与实际测量数据吻合度达92%，为工艺参数的智能优化提供了可靠工具。

本研究的工程价值体现在两方面：其一，建立了不同厚度板材的工艺参数速查表，使复杂曲面零件的成形周期缩短40%；其二，提出的"梯度能量叠加"技术方案，成功应用于某航空叶片的局部成形，使表面粗糙度降低至Ra1.6μm，疲劳寿命提升约2.3倍。这些成果为高精度钛合金构件的批量生产提供了关键技术支撑，特别是在5G通信基站支架、医疗植入器械等精密制造领域具有广阔应用前景。

未来研究可重点关注多物理场耦合作用机制，特别是当冲击波能量超过材料HEL的2倍时，可能引发的超弹性变形与断裂风险。建议后续研究结合数字孪生技术，建立实时在线监测系统，以实现成形过程的闭环控制。此外，将探索冲击波在梯度材料中的反射与透射特性，这对开发超大型复杂曲面成形技术具有重要参考价值。