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激光冲击强化前处理与涂层制备对TC4钛合金疲劳性能的影响

TiN/Ti涂层，激光冲击强化，Ti-6Al-4V合金，疲劳强度

采用磁过滤阴极真空弧技术在TC4钛合金表面沉积抗冲蚀多层梯度TiN/Ti涂层，在沉积之前对基体进行激光冲击强化（LSP）前处理。采用原子力显微镜（AFM），纳米压痕和划痕测试仪表征测试了试样表面形貌、基本力学性能等。采用QBG-100高频疲劳试验机考核了试样的拉伸疲劳强度，采用扫描电子显微镜（SEM）观察并分析了疲劳断口形貌与损伤机理。结果表明，涂层及LSP前处理均对基体表面粗糙度影响不大。LSP前处理在TC4表面形成了厚度约为300μm，具有高硬度和残余压应力的硬质层。TC4合金表面硬度从299.5 HV0.2提高到372.2 HV0.2，且在表面引入了-497.9MPa的压残余应力。LSP前处理引入的硬质层可抑制基体表面塑性变形，提高了基体对涂层的载荷支撑，涂层与基体之间的结合强度从54.9N提高至79.1N。TC4合金基体的平均疲劳强度为373.8MPa，制备TiN/Ti涂层后试件的疲劳强度为363.7MPa，较基体略有降低。增加LSP前处理后试件的疲劳强度为411.9MPa，较TiN/Ti涂层试件提高13.3%，较无涂层试件提高10.2%。TiN/Ti涂层可以抑制表面上的裂纹萌生，但在拉伸过程中发生部分破碎并与基体发生剥离，裂纹抑制效果有限，且涂层的破裂促进了裂纹扩展。采用LSP前处理后，TC4表面形成的硬化层进一步增加裂纹萌生难度，且提高的结合强度可进一步降低裂纹扩展速率。