定制金属材料的微米和纳米结构，如细化和层状晶粒、高阶纳米线和位错结构，可有效改善其机械性能。因此，操纵微/纳米结构正在成为金属增强的一种关键技术方法。非线性力学国家重点实验室的彭庆研究员和华北电力大学的王鹏杰助理教授的联合研究团队在Ti-6Al-4V合金表面利用超短脉冲激光喷丸技术成功诱导形成了梯度微纳结构，这一成果为金属材料表面性能的优化提供了全新途径。

实验中采用了飞秒和皮秒激光脉冲，这些超短脉冲激光由于其超高的峰值强度，能够在无需涂层和封闭的条件下直接对金属表面进行处理。实验结果显示，飞秒激光喷丸引起的材料去除量最小，而皮秒激光喷丸则导致了更明显的相变和材料去除，最大去除深度接近30微米。通过透射电子显微镜（TEM）的观察发现，经过超短脉冲激光喷丸处理后的Ti-6Al-4V合金表面，其微观结构发生了显著变化，原本粗大的晶粒得到了细化，位错大量增殖，这些变化对于提高材料的力学性能至关重要。此外，该研究还发现，超短脉冲激光喷丸技术在精度和空间适应性方面具有显著优势，特别适合于微组件的表面强化。与传统的纳秒激光喷丸技术和机械方法相比，超短脉冲激光喷丸技术能够实现更精细的表面结构调控，这对于制造具有特定表面性能的微或复杂空间形状的工业部件具有重要意义。这项研究不仅在理论上提供了深入的见解，而且在实际应用中也展现了广阔的前景，为未来金属材料表面工程的发展奠定了坚实的基础。

该研究成果以“Nano gradient structuring at Ti-6Al-4V surface induced by ultrashort-pulse laser peening”为题发表在Journal of Manufacturing Processes上期刊上（Volume 132, 26 December 2024, Pages 105-111）。东北大学博士生李林鲜为论文第一作者，彭庆研究员和王鹏杰教授为通讯作者。此工作得到国家自然科学基金（12272378和52175293）和力学所力英计划的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.10.083

图1 超短脉冲激光剥离实验装置和激光扫描模型示意图

图2 原始和超短脉冲激光强化Ti-6Al-4V合金样品的表面形貌和微观结构比较。原始样品（a）、飞秒激光强化样品（b）和皮秒激光强化样品（c）的表面形貌。（d）原始样品、（e）飞秒激光强化样品和（f）皮秒激光强化样品表面的 TEM 图像。Sa：算术平均偏差。Sq：均方根偏差。

图3 通过飞秒激光喷丸处理产生的所研究的Ti-6Al-4V合金顶面（深度约15μm）上的梯度微/纳米结构特征。(a) 用 TEM 在深度方向上进行的显微观察。(b-d）靠近激光强化表面的晶粒细化区域的超细晶粒。(b) 中的插图表示细化晶粒的SAED图样。(e-j）飞秒激光强化引起的严重塑性变形区域的微纳米结构，包括位错缠结、亚晶界、纳米网、位错单元和位错壁。

图4 所研究的Ti-6Al-4V合金通过皮秒激光强化产生的表面沿深度方向的梯度微/纳米结构的TEM特性，包括细化晶粒、层状结构、亚晶界、分层纳米网、位错缠结和堆积。高分辨率的TEM照片分别显示了晶界、纳米丝和位错缠结。放大方形区域的逆快速傅立叶变换（IFFT）图像显示了局部位错分布和堆积。

图5 超短脉冲激光强化（LP）处理前后的微米/纳米结构示意图。