1953 年首次将钛合金应用在航空发动机上，作为防火壁和短舱材料，标志航空钛合金的应用正式拉开帷幕[26]，上世纪 80 年代后，美国钛合金在先进战机中的用量稳定在 20%以上，也从侧面显示出飞机制造中钛合金的重要作用。航空钛合金的在新战机中的用量越来越高，美国 F22 战斗机中钛的使用量已达到42%，V2500 发动机的的用钛量达到 31%，俄罗斯 MS－21 客机的钛合金用量达到了 25%。这代表着钛合金的应用及发展是航空技术发展的重要因素之一。由于钛合金综合性能优异，常作为航空工业中结构材料，能够保证飞机机体及发动机构件在复杂条件下的良好工作能力，目前钛合金成为航空应用的主要材料之一。

飞机机身结构多用钛合金，如机身蒙皮、飞机起落架、大梁、隔框、舱门、翼肋、导管、拉杆紧固件等部件。钛合金早期在飞机中主要为襟翼滑轨，多为铸件。随着发展，部分受力结构件也开始使用钛合金，如 CF6-80 型飞机发动机的安装吊架结构，它是受力情况较为复杂的结构件。为降低成本，波音 787 中开始大量使用钛合金铸件，如隔热屏。我国飞机上开始应用钛合金构件的时间较晚，例如我国当前自主研发的 ARJ21 及 C919 客机的钛合金使用量都不到 10%，因此还有较大发展空间。

飞机发动机上也使用了钛合金材料，如发动机机壳、压气盘、发动机动、静叶片、发动机燃烧室外壳、喷气管、机匣等。随着航空技术的飞速发展，钛合金作为航空发动机的关键部件材料，其服役性能对航空发动机使用寿命有着决定性影响。航空钛合金的结构失效 90%以上与疲劳有关。疲劳失效成为钛合金在航空工业应用中的重要隐患。钛合金零件的服役疲劳寿命通过表面强化技术可以有效提高。

1、 TC11 钛合金

TC11 钛合金是 Ti-Al-Mo-Zr-Si 系的热强钛合金，是一种新型耐热双相钛合金，由我国自主研制，其属于典型的α+β型高温钛合金，其相变点为 1000±20℃，可长期在 500 ℃下工作，是 500 ℃下高温强度最高、综合性能优异的两相钛合金。TC11 钛合金应用领域较广，在多种型号飞机发动机上都有应用。TC11钛合金各元素的含量均在一定的允许值范围内。其中 Al 充当α相的稳定元素，能够降低钛合金的密度，并且可以提高其室温、高温强度，含量应控制在 7%以内，当合金中 Al 元素过多时，会析出脆性相 Ti3Al，降低塑韧性。Mo 作为β相的稳定元素，可以有效提高钛合金的高温稳定性及高温蠕变性能。热处理对 TC11钛合金的影响较小，热处理可以改变α相及β相的形貌及分布状态。

钛合金有 5 种典型组织，包括等轴组织、网篮组织、双态组织、魏氏组织与三态组织，如图 1-1 所示。

TC11 钛合金同样也具有以上 5 种组织类型：

（1）等轴组织：由部分初生α颗粒及少数β转变组织组成，塑性好易加工，冲击韧性及断面收缩率较高，但高温持久强度及高温蠕变抗力较差。性能好坏取决于等轴α相的尺寸。

（2）魏氏组织：主要由β晶粒及β晶粒上的α相组成。具有良好的室温拉伸强度及塑性，同时高温持久强度和蠕变抗力较高，但断面收缩率及高温性能较差，该组织应用较少。

（3）网篮组织：钛合金热加工区域在β转变点附近，当变形量达 50%以上，冷却后可得到网篮组织。α片状组织交错排列成网篮状。其高温强度、高温蠕变抗力高，但塑性较低。常出现于大型锻件中。

（4）双态组织：当钛合金的热加工区域位于两相区上部进行空冷，可获得双态组织。在组织中有等轴的初生α及转变β组织中的片状α两种形态，其塑性佳，疲劳强度较高，缺点是持久强度和蠕变抗力较低。

（5）三态组织：由等轴α、条状α及备份转变β基体构成，具有等轴组织与网篮组织的综合性能，既不损失塑性和热稳定性，又提高了合金的强度与韧性，综合性能达到最佳状态。

TC11 室温及高温强度优异，450℃下的安全服役寿命可达 6000 小时，在500℃下的安全服役寿命可达 500 小时。主要应用在飞机发动机构件，如飞机压气机盘、发动机叶片及鼓筒等零件，也用于某些结构件。这些零件在发动机运转中行会出现高频振动现象，在高温往复振动过程中，常常出现疲劳失效和断裂现象，因此研究提高 TC11 合金的抗疲劳性能对航空发动机有较好的价值。

2、 表面强化技术

表面强化技术作为改变零件表面性能的工艺强化方式，可有效提高疲劳强度、耐磨性、耐腐蚀性及硬度。一般来说，零件表面承受压力最大，腐蚀性最强，表面最先遭到破坏，表面强化可有效改善表面微观结构及性能，延长零件的安全服役寿命。表面强化技术主要包括：物理法处理技术、化学法处理技术及热处理强化技术。目前钛合金去表面强化多使用表面机械处理技术，其技术特点为：

不改变金属表面材料成分，将金属材料表层的晶粒组织通过物理方法细化，减少表面裂纹源，使金属构件的表面抗疲劳性能、耐磨性和耐蚀性等特性得到改善。

主要方法包括激光冲击、机械喷丸、超声喷丸及高能喷丸等。

2.1  激光冲击强化技术

激光冲击(Laser Shocking Peening，简称 LSP )是一种新型表面强化技术，与传统喷丸技术相比具有显著的技术优势。激光冲击处理后可获得更深的残余压应力层以及明显的晶粒细化层，可以有效提高金属构件的疲劳寿命。此外，激光冲击强化过程几乎没有热效应而且对材料表面粗糙度无影响。因此，激光冲击具有广阔的发展潜力及应用前景。

2.1.1 激光冲击强化的原理

激光冲击处理是使用高功率密度和纳秒级别的短脉冲宽度的强激光束照射金属材料表面，然后利用激光束与吸收层之间能量的转变，最终作用于金属材料表面，优化材料表面性能的处理技术。在激光冲击处理材料表面的过程中，激光束透过约束层作用在试样表面的时，吸收层吸收激光能量，从而产生高温高压等离子体，等离子体冲击波在约束层(水，光学玻璃)的约束下向材料内部传播，其压力远远超过了材料的弹性屈服极限，材料经历了弹性—塑性变形，最终在材料表面形成稳定的残余压应力场并发生微弱的塑性变形，伴随着位错密度的迅速增加，表层的晶粒发生变化，使得材料表面形成一定残余压应力区域，同时伴随相变、孪晶及位错等微结构变化，综合提高材料的抗疲劳性、耐磨损性、抗断裂性等性能，其实验原理图如图 1-2 所示。

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