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1、激光冲击强化技术摘要：本文主要从作用机理、强化机理及彩响因素等方面系统的介绍了激光表面强化技术。 关键词：澈光表面强化、冲击波、晶粒细化Laser Shock Processing TechnologyAbstract： This article mainly introduces Laser shock processing (LSP) from the respect of the interaction mechanism, the strengthening mechanism and the influencing factorsKeyword: LSP , shock wave,
2、grain refinement1引言激光冲击强化技术(Laser shock processing,简称LSP)作为一种新兴的表面改性处 理技术起始于上世纪六十年代，也是当代具有重要意义的自然科学发明之一。在激光表面处 理技术应用之初，科学家们意外发现激光脉冲可以产生肉眼无法察觉的冲击波，如果冲击波 能够连续作用于金属表面，会在金属表层形成压应力，这种压应力远大于材料本身的屈服强 度，能够在金属表面形成一定深度的高幅值残余压应力层，使表层材料得到硬化，晶粒细化， 通过这种方式可以实现对材料的性能的强化处理。激光表面处理技术在发展过程中出现了 多种形式的处理方法，包括主要激光相变硬化(Lase
3、r Hardening).激光熔覆(Laser Cladding)、激光表面合金化(Laser Alloying)、激光冲击强化处理(Laser Shock Processing, LSP)、激光冲击成形技术(Laser Shock Forming, LSF)等"。作为一项相较于传统工艺，清 洁高效的高新技术，目前激光表面处已经广泛应用于军工国防、航空航天等领域，例如微精 密设备的小孔强化，损伤叶轮修复以及水下设备的抗腐蚀性强化和焊缝延寿等。2国外激光冲击强化技术的研究现状上世纪七十年代，Battelle, s Columbus等科学家设计并制造出了能够进行激光冲击 实验的实验系统；
4、在1972年，科学家Fairand B. P.等人利用高功率脉冲激光对铝合金的 机械性能和微观组织进行检测和分析，证明了激光冲击对铝合金的强化作用，经实验结果表 明铝合金的屈服强度提升了 30%左右，这个结果也正式掀起了激光冲击对材料优化研究的序 幕。此后，Fabbro. R等人于1987年论述了激光与金属材料相互作用产生冲击波的关系， 提出并验证了约束模式下激光冲击波峰值压力的估算公式。目前激光冲击技术已经广泛应用于航空航天、医疗器械、军工装备等多方面领域，并 起着举足轻重的作用。当前国外学者和科研机构就激光冲击强化而言，主要就以下几个方面 进行研究：1激光冲击强化的物理性研究：研究重点在于
5、解析强化过程中的物理效应、冲击波与 靶材部结构相互作用的机理和类型，建立激光诱导爆轰波的理论模型并对其进行分析巴2激光冲击强化作用机理的研究：研究容主要是从表面粗糙度、硬度、残余应力和微 观组织等角度对激光冲击处理之所以能够有效提升靶材的抗疲劳、耐腐蚀、抗摩擦磨损等性 能进行规律分析、机制分析等相关研究。3.工程技术领用的应用性研究：对激光加工系统进行改进，工艺参数进行优化，对冲 击区域性能的评测以及强化过程的在线研究进行合理的设置等等。中国激光冲击强化研究虽然起步较晚，但近些年来发展迅速，并且已经成功将该项技术应用于军事航空领域，拥有了多项自主知识产权，取得了大量的研究成果，为实现激光强 化
6、工业化的具体实施奠定了扎实的基础。清华大学提出了利用激光冲击处理来制备表面高性 能纳米涂层，并设计出了完备的加工工艺，此项技术的提岀将激光冲击和纳米复合材料制备 技术结合，为制备纳米复合涂层打开了新的思路。3.1激光冲击强化原理激光冲击处理是使用GW/cm2级的高功率密度和ns级的短脉冲宽度的强激光辐照材料表 面，利用激光与辐照金属表面材料相互作用的响应过程，进而对材料表层进行性能优化处理 的一种表面处理处理技术。High press 卩lamsaAbsolving Inver图1.1激光冲击强化原理图Fig 1. 1 Schematic of laser shock processing在激
7、光处理过程中，由于激光辐照作用的影响，激光会透过约束层被金属材料表面附 着的能量吸收涂层吸收，因照射部位温度在极短时间可以达到一个极高的值而气化，气化后 形成蒸汽电离，若继续吸收激光辐照的能量则形成了等离子依“。当能量迅速积累达到临界 值时，将会引起膨胀爆炸，激光持续作用形成的等离子体引起的爆轰波作用于金属靶材表面, 形成方向指向金属的冲击波。当冲击波作用所引起的压力远大于耙材本身所能承受的动态屈 服强度时，冲击波彩响的区域就会发生超高应变率作用下的塑性变形，伴随着位错密度的 迅速増加，表层材料晶粒得到细化，并在金属表层形成一定深度的高幅值残余压应力区域, 同时还会出现相变、李晶等结构变化，从
8、而使材料的抗疲劳性、耐磨性、抗断裂性等机械性 能得到改善。其基本原理如图1.1所示。3. 2激光诱导的冲击波当激光辐照于金属表面时，能量大于一定的临界值后，靶材的表面层会在短时间快速 吸收激光能量，高幅值的激光能量会造成表层产生熔融与气化。在此过程中，因气化作用生 成的蒸汽粒子会对激光能量进一步吸收而造成自身能量的进一步累积，巨大的能量将使得蒸 汽粒子发生电离现象，形成具有高温高密度值的等稱子体。等离子体在向四周扩散和膨胀过 程中会形成具有极高压力的冲击波，这种冲击波的压力值大小会随着激光能量强化的变化而 产生相应的改变。根据激光能量的高低不同，冲击波类型可以分为燃烧波及爆麦波两类。在 整个激
9、光冲击处理过程中，激光功率密度可以达到GW/cm2时等离子体诱导形成冲击波被定 义为爆轰波型，爆轰波会以10lm/s的速度向各方向传播。爆轰波压力随着激光功率密度的 增大而升高，同时与脉冲能量之间也呈正相关。一般由激光冲击作用所生成的冲击波类型有以下两种方式，非约束型以及约束型。非 约束模型中不包含约束层和吸收层，在冲击过程中激光束会将直接接触到靶材表面。这种类 型的冲击波形式中，约束层不会对等离子体产生约束作用，而会以一种开放式的形态向各个 方向自由膨胀，能量分散且分布不均，造成的后果是诱导的冲击波压力值不高，且能量不集 中，无法起到冲击强化的作用。另一种约束型是在靶材表面涂覆黑色涂层和透明
10、的约束层, 透明的约束层可以有效阻止等离子体的膨胀，使冲击波可以完全作用于靶材表面，极大增强 了冲击波的冲击效应。激光冲击作用于金属靶材的表层时，会存在冲击波与靶材之间的力作用，诱导形成残 余应力场，这也即是说冲击波是靶材表面冲击作用区发生塑性变形的根本原因，激光冲击的 强化作用来源于力效应，而不是激光能量本身的热效应。冲击波在耙材传播时，方向会沿着 其冲击方向产生单向的轴向压应力，位于冲击波方向区域的耙材将会被压缩，而与材料表面 平行的面上的区域则会延长。激光冲击强化技术是利用高应变速率下产生的剧烈塑性变形对材料进行强化，而实际 上是利用了冲击波与靶材金属之间的相互作用。激光照射靶材金属后会
11、发生材料的升温、熔 融、层裂等现象，这是由于激光冲击的热效应与力学效应。而随着激光参数的不同，激光作 用于靶材，所产生的影响和作用机理也不完全相同。一般而言在激光功率密度达到 10;l'10*W/cm2时,靶材表层出现缓慢加热，在1 OlO/cm2时开始熔化，在106'10/cm2时出 现部分气化现象，在lOlO'Vcm2时出现激光等离子现象，形成等离子体。当激光辐照到靶材表面时，除了一部分能量会被耙材吸收外，其余能量将会被材料反 射或者直接逸散出去。激光与耙材之间的能量传递遵循能量守恒定律，也就是说激光入射的 能量等于材料表面对激光的靶材吸收能量、靶材反射能量和逸散能
12、量之和：Eo = E反财+ E吸吹+ E透射(1.6)靶材对激光的吸收除了与材料的种类和特性有关外，还与靶材针对激光波长的选择性 吸收率有关，此外材料对激光的吸收还受到外部环境，包括温度、湿度、表面涂层和表面粗 糙度等多种因素作用的影响。3.3剧烈的塑性变形与晶粒细化机理金属可以认为是由大量的晶粒堆积而成，同时每个晶粒也都有着各自不同的取向性。 相邻晶粒间通过面面接触连接在一起，这种接触面称之为晶界。晶界一般有着不同的取向， 厚度在2个原子间距左右。通过相邻晶粒的取向差A p和晶界面的方位可以定义晶界，当 A P<15°时称之为小角度晶界；当A P >15°时则
13、称之为大角度晶界。伴随着激光冲击 过程，金属会发生明显的塑性变形，晶粒大小的变化与金属的组织结构相关。晶粒细化的过 程中，由于塑性变形会引起高密度位错、李晶等微观形貌的变化，在晶粒部逐渐形成小角度 的亚晶界，进一步演化后会发展成大角度晶界，大角度晶界会产生切割效应，将整个晶粒形 成具有取向性的细小晶粒，实现晶粒细化。大尺寸晶粒不断地被转变成数量众多但更为细小 的晶粒，晶粒的大小甚至可以达到纳米级，成为纳米晶。金属塑性变形方式的因素包括材料 的晶体结构、层错能以及相变化等。体心立方晶格(bcc)和面心立方晶格(fee)金属具有12 个滑移系，而密排六方晶格(hep)的金属滑移系相对教少，对于高层
14、错能的立方结构的金属 而言，塑性变形的机制主要是通过位错变化实现；低层错能和密排六方结构金属，则通过机 核李生实现。下表1.2所示为不同结构金属材料的层错能和变形运动形式。表12不同金属材料的层错能和变形形式Table 1.2 Deformation modes related to stacking fault energies and structures材料FeA1Cu316L不锈钢304不锈钢TiCo晶体点阵bccfeefeefeefeehephep层错能mJ/nf20016678402130027变形运动位错运动位错运动位错运动 机械李生位错运动 机械李生机械挛生位错运动 机械李生位
15、错运动机 械李生对于GH2036高温铁基合金而言，体心立方晶格(bcc)具有较高的层错能。当载荷以高 应变率作用于材料表面时，位错开始增殖，同时位错密度提高。位错交割将使粗大的晶粒得 到一定的细化，这是塑性变形初期的表现；在变形程度逐渐增加之后，位错会通过湮没、重 组等形式转变成小角度亚晶界，从而降低部畸变能；在塑性变形后期，小角度亚晶界会通过 吸收相邻位错导致晶界滑移而成为大角度晶界；最终亚晶粒部形成的位错胞和位错缠结会分 割晶粒完成晶粒细化；当晶粒中的位错増殖速率和湮没速率基本保持一致时，系统能量趋于 稳定，晶粒细化过程结束。当发生塑性变形后，材料的表层影响区会得到一定程度的强化，这种因塑
16、性变形引起 的的强化，其强化机制包括：细晶强化、位错强化、晶界强化、挛晶强化，图1.3所示为金 属合金常见强化机制的示意图。(1) 位错强化当材料发生塑性变形时，位错密度增加，位错活性也随之增加。当位错密度达到一定 值时，位错间相互作用形成位错缠结等位错结构，这些结构会反过来阻碍位错的运动。若塑 性变形持续增大，则会引起载荷的递增，这在宏观上会表现为金属表面强度的提高。变形强 化的本质在于位错密度的增加，实验证明，位错密度的增加和材料强度的提高呈正相关。(2) 晶界強化在晶界表面，金属原子的排布并不规律，同时还存在晶格点阵畸变、位错缺陷的衍生 和发展。塑性变形时，晶界的存在会阻碍位错运动，形成
17、位错的堆积，且这种阻碍作用会随 着晶界数目的増加而愈加明显，因此晶界强化时，材料本身的变形抗力增加，因此强度得到 提升；此外由于多晶体的晶粒间存在取向性的差异，当某个晶粒发生滑移时，其他晶粒会阻 碍其运动，因此滑移阻力的增加也从另一方面提升了材料的变形抗力；伴随着晶界数目的增 多，晶界的排布也越复杂，裂纹在晶界上的传播将会变的更为困难，表现较高的塑性和韧性。(3) 李晶强化李晶界由于其结构特征属于能态偏低的共格晶界，所以晶粒李晶界的分布可以抑制位 错的运动，促使李晶界上或交割界面处发生位错的堆积和缠结，造成的应力集中现象，提高 材料的强度。李晶片层的尺度越小，强化效果越明显，实验表明纳米尺度时
18、其强化效果远远 大于微米尺度或者亚微米尺度的强化效果。(4) 细晶强化晶粒尺寸越小，也意味着在单位体积晶界数量越多，而随着晶界数目的增加晶粒部位 错运动将会受到阻碍，滑移带会在晶界处堆积湮没。多晶粒原子间存在不同的位向差，相互 晶粒间可以通过滑移来协调变形。在滑移过程中还会伴随着位错切割，提高金属强度。此外， 单位体积晶粒数目增多，相同的变形机制将会在更多晶粒中进行，避免了产生较大的应力集 中而使塑性变形效果更加均匀。在细晶过程中由于晶粒细化，晶界数目增多，裂纹便不易萌 生和发展，在断裂的过程中表现出强韧性。GB(e)Naiio-scalc TB strcogtlicnnigTB图1.3金属合
19、金常见强化机制冏)固溶强化、第二相弥散强化(b)细晶强化(晶界强化)(c)位错-李晶强化Fig 1.3 Illustration of structural modification for strengthening metals and alloys(a) strengthening via sol id solution, precipitates and dispersed particales(b) grain refinement strengthening ( or the grain boundaries strengthening)(d) nanoscale twin str
20、engthening based on dislocation-twin boundariesin tei'act i ons3.4激光冲击强化的影响因素在激光强化过程中，激光束会通过约束层后辐射在吸收层，在这个过程中伴随着能呈 形态的转变，从激光束的能量转变成诱导材料发生塑性变形所需要的能量，并以此产生残余 压应力。因此，影响因素还包括：(1) 约束层约束层除了可以阻止等离子体的不定向性膨胀，促使激光能量的集中，还可以强化靶 材与冲击波之间的相互作用，也可以说，约束层的存在可以同时增加激光所诱导形成的冲击 波和脉宽大小。在选择约束层时，除了要求激光束保持高的透射率和声阻抗等特性外，还
21、要 考虑到激光可能会击穿约束层直接作用于靶林表面，因此约束层的厚度也有着明确的适用围 的规定。(2) 吸收层吸收层的作用一方面是提升靶材对激光能量的吸收率，另一方面可以保护靶材避免靶 材与激光直接接触造成烧蚀破坏。实验表明，若靶材表层没有附着吸收层，将无法形成靶材 对于激光能量的高效吸收，造成等离子体因能量不足产生不定向的膨胀而远离耙材表面，无 法形成足够的塑性变形。下表1.3为不同条件下靶材表面残余应力。表1.3不同条件下的表面残余应力Table 1.3 The surface residual stress in different conditions处理方式无吸收涂层未处理55C16m
22、m光斑水层6mm光斑黑漆6mm光斑水层+ 黑漆残余应力/MPa570MPa-220MPa-380MPa-430MPa-510MPa大量的研究表明，靶材表面附着吸收涂层在激光冲击后可以形成较大的残余应力。但 同时其厚度也是影响激光能量作用的关键因素，若吸收层厚度不足时，则会产生靶材表面的 烧蚀；若吸收层过厚，则会影响冲击波能量，造成作用于靶材表面的能量值过低，无法对靶 材进行有效强化，因此吸收层需要选择一个适当厚度。(3) 激光工艺参数在激光强化过程中所需要设定的激光参数包括功率密度I。、脉冲宽度T、光斑的直径 大小d、光束能量E、搭接率、冲击次数等等。激光功率密度的选择是根据不同材料所具备的物
23、理力学特性，以及不同种类的吸收层 对激光束所诱导的冲击波压力的衰减效果等综合考虑的。激光脉冲宽度对于激光冲击后的塑性影响区的围和强化效果都有着很大影响，材料塑 性变形层的深度随着激光束所诱导形成的冲击波的脉宽的增大而增大，二者呈线性关系。在 脉冲宽度值大时，冲击效果相对脉宽小更好。但考虑到过大的脉冲宽度会造成靶材表面的热 破坏，脉冲宽度应选取合理大小才能达到最理想的效果。参考文献1纪红许越.吕祖舜周德瑞.铝合金激光表面强化的研究进展J材料科甞与工艺2003.02：220-224.2曲敬信任玉锁俊英激光表面强化技术J水利电力机械2003.02： 33-36+40.3胡木林长生曾毅.激光表面强化技
24、术及其应用J机械工人（热加工）,2003,07:5-8+74.4建华传康.激光表面强化和再制造技术的研究与应用进展J电焊机.2012.05:15-195汪昊.激光表面强化数值仿真及应用D1.大学.2010.6巴发海宋巧玲.激光表面强化相关问题的研究进展J大学学报（工学版）,2001.03:85-89.7徐国建钟立明王虹傅新皓王志一沓名宗春.激光冲击强化铝合金焊接接头的性能J中国激光.2014,06:97-1018伟应红何卫锋启鹏.澈光冲击强化技术的发展和应用J激光与光电子学进展.2008.12:15-199乔红超高宇吉宾陆莹亦翔.激光冲击强化技术的研究进展J.中国有鱼金属学报.2015.07： 1744-1755.