激光等離子體沖擊強化研究進展

湖北工業大學 付宏濤

激光等離子體沖擊強化研究進展

湖北工業大學 付宏濤

本文綜述了激光沖擊強化技術的機理和模型，分析了激光沖擊強化的技術特點和影響因素，論述了激光沖擊強化在生產中的運用，并且探討激光沖擊強化與激光沖擊成形、激光噴丸成形之間的區別，展望了激光沖擊強化技術的應用前景。

激光沖擊強化；表面改性；應用

0 引言

近年來，激光等離子體沖擊強化研究進展十分迅速。和其它表面強化技術相比較，激光沖擊強化技術具有如下鮮明特點：（1）高壓，沖擊波的壓力達到數GPa，乃至TPa量級，這是常規的機械加工難以達到的；（2）高能，激光束單脈沖能量達到幾十焦耳，峰值功率達到GW量級，在10～20n s內將光能轉變成沖擊波機械能，實現了能量的高效利用。并且由于激光器的重復頻率只需幾H z以下，整個激光沖擊系統的負荷僅僅30kW左右，是低能耗的加工方式；（3）超高應變率，沖擊波作用時間僅僅幾十納秒。這使得激光等離子體沖擊強化技術本身具備極大的研究價值。激光沖擊強化與其它沖擊波作用于工件的激光沖擊成形和激光噴丸技術都是利用激光誘導的，激光沖擊波是它們的工作之源。它們之間既有聯系又有區別：（1）激光沖擊成形是在激光沖擊強化研究基礎上發展起來的。激光沖擊強化是以提高工件表面質量為目標，同時在工件表面產生殘余應力，防止板料發生翹曲等宏觀變形。而激光沖擊成形是為了實現板料的塑性變形，盡管沖擊后沖擊區表面的粗糙度降低，但這只是附帶結果，并不是最終目的；（2）激光噴丸成形是在激光沖擊強化和機械噴丸的基礎上發展而來的，它與沖擊強化的主要區別是最終目的不同。噴丸成形的目的是要求得到一定分布的應力場，從而實現板料的宏觀變形；而沖擊強化的目的是在提高工件表面質量的同時還要防止板料發生翹曲等宏觀變形。

1 研究歷史

早在20世紀60年代人們就發現了激光脈沖可以產生沖擊波，研究表明，隨著沖擊波持續作用，可以在金屬表層產生壓應力，其值遠遠高于材料屈服強度。隨后美國和法國都先后利用激光沖擊波效應對材料進行表面改性，以取代傳統的噴丸和深滾壓技術，這就是激光沖擊強化技術 。激光沖擊強化技術最初開發于20世紀70年代初的美國貝爾實驗室，我國著名物理學家錢臨照教授早在60年代也提出過這方面的思想。1972年，美國巴特爾學院（Battelle Memorial Institute）的 Fairand B.P.等人首次用高功率脈沖激光誘導的沖擊波來改變7075鋁合金的顯微結構組織以提高其機械性能，從此揭開了用激光沖擊強化應用研究的序幕。1978年秋，該實驗室的Ford S.C等人與美國空軍實驗室聯合，進行激光沖擊改善緊固件疲勞壽命的研究，結果表明激光沖擊強化可大幅度提高緊固件的疲勞壽命。當時由于缺少可靠的、高脈沖頻率的大功率激光器而未能實用化。

進入21世紀之后，激光沖擊強化技術的應用取得了長足的進展。美國空軍為提高激光沖擊強化生產效率做出了很大的努力，設置了4個重要的制造技術計劃（Air Force Manufacturing Technology Programs），取得了許多重要進展，解決了提高激光沖擊強化生產效率和可移動式生產等工業應用問題，極大地促進了激光等離子體研究的迅速發展。

2 激光等離子體沖擊波機理

當激光輻照到靶材表面時，由于材料表面對激光的吸收作用，使得表面溫度升高。當表面溫度達到材料的熔點時，將發生熔融現象。激光對材料持續作用，材料表面溫度不斷升高，當材料表面溫度達到汽化溫度時，表面將發生汽化燒蝕現象。如果蒸汽粒子繼續吸收激光能量，蒸汽溫度繼續升高，最后將導致蒸汽分子電離，形成一種高溫高壓的等離子體。該等離子體吸收后續激光能量對外膨脹爆炸，從而形成沖擊波。根據激光形式不同和激光功率密度的不同，激光沖擊波的壓力峰值范圍從pa到Tpa，折算到每平方微米范圍內，沖擊力范圍可從P N到N，沖擊波作用時間可以從飛秒到毫秒量級。形成沖擊波的方法可以分為兩類：非約束型和約束型。非約束型是指讓等離子體不受外界約束自由向四周膨脹。而約束型是在成形工件和工件表面增加透明約束層 （如：流水、K 9玻璃），抑制爆炸產生的等離子層向外擴散，使之產生的沖擊波全部作用于工件，提高沖擊波的壓力（一般可提高10倍）。

3 激光沖擊強化

激光沖擊強化技術是高功率密度（GW／cm2）、短脈沖（ns）的激光束與物質相互作用產生的強沖擊波來改變材料表面物理及機械性能的技術。在激光沖擊波產生后迅速膨脹的等離子體被限制在金屬表面和約束層之間，產生一個向試樣內部傳播的強沖擊壓縮波σ1。該沖擊壓縮波對靶材正面產生強化作用。

激光沖擊強化類似于彈丸噴丸 ，只是把彈丸換作激光脈沖。激光沖擊強化使表層產生微小的塑性拉伸變形，強化后材料彈性恢復產生殘余壓應力。研究表明，激光沖擊強化鋁合金后，大小約為材料屈服強度70%～80%的殘余壓應力可以深入材料表層1～2mm，因此材料的耐疲勞強度和壽命遠遠高于機械噴丸和深滾壓技術。與傳統的機械處理方法相比，激光沖擊強化后粗糙度遠遠低于機械噴丸；鋁合金緊固件的磨損疲勞強度可以提高2倍 ；激光沖擊強化后 ，板料產生密集、均勻以及穩定的位錯結構，位錯密度增高，使材料屈服強度提高，并阻礙了位錯的運動，增大了裂紋產生的阻力，不銹鋼的應力腐蝕開裂問題可以通過激光沖擊強化處理 ，且奧氏體鋼比馬氏體鋼效果更明顯；殘余壓應力使試樣表層產生硬化 ，距離試樣表層越遠 ，硬化程度越小。激光沖擊強化后，材料的微觀組織得到改善，耐腐蝕性能和疲勞強度提高，有效地改善了材料的綜合機械性能。

4 激光沖擊強化模型

激光沖擊強化模型包括沖擊波壓力模型 、殘余應力模型以及應力－應變輸出模型。沖擊波壓力模型有很多，他們都認為激光輻射均勻 ，所以沖擊波在約束介質和靶材中的傳播是一維的，如 Morals在激光沖擊強化中采用一維壓力近似估算公式及計算沖擊波壓力。為了提高估算模型精度Zhang考慮了等離子體內能和等離子體膨脹半徑的影響 ，提出了新的沖擊壓力估算模型。

對殘余應力的分析大多采用有限元方法，Braisted首次引入有限元方法計算激光沖擊強化殘余應力，隨后提出了軸對稱模型用以計算激光噴丸產生的殘余應力，在模型中綜合考慮了壓力衰減、材料彈塑性以及材料沖擊屈服強度曲線，此模型與12C r鋼和7075－T 7351鋁合金的試驗結果符合良好.H u等人采用簡化模型模擬重疊沖擊強化的殘余應力場分布。Morales等人提出了殘余應力優化系統，將殘余應力場與激光參數之間形成定量關系，以其達到最佳強化效果。

在激光沖擊強化中，沖擊波壓力是隨著時間變化的幅值，應變率很高，可達106s－1，所以在模型中引入以下假設：材料是理想彈塑性體，所有的塑性變形發生在統一應變率下。在計算激光沖擊強化應力時有必要引入溫度場的影響，同時溫度場對表層能量吸收率有影響，Thorslund等人提出考慮激光輻射和溫度在工件上分布的溫度模型，與實際輻射量相比，輻射率對材料溫度的影響

更大。

5 激光沖擊強化的影響因素

激光沖擊強化技術可以大大提高材料的疲勞性能和耐磨性能，并且成功用于航空航天、核工業等領域。目前國內外研究人員越來越多地關注激光沖擊強化技術的基礎理論與基礎工藝研究。激光沖擊強化效果的影響因素主要有激光參數、能量吸收層和約束層、材料等。

5.1 激光參數

5.1.1 激光功率密度

Fabbro等人提出了沖擊波峰值壓力與激光功率密度之間的關系

P＝A［（α／2α＋3）Z I］1／2

式中，A－常量；Z－材料和約束層的沖擊波阻抗；I－激光功率密度；

從式中看出，在材料和約束層一定的情況下，激光功率密度越大，沖擊波的峰值壓力越大。Z h o u等人也在最近對等離子研究中發現，激光功率密度與產生等離子體寬度存在著非線性增長關系。

5.1.2 激光脈沖

激光脈寬的大小對金屬材料的沖擊強化效果至關重要。激光沖擊強化后的塑性變形層深度、表面殘余壓應力均與激光脈寬有關，采用較大的激光脈沖寬度可獲得較好的強化效果。然而過大的激光脈沖寬度極易造成金屬材料表面的熱損傷，降低激光沖擊處理的效果。

5.2 能量吸收層和約束層

能量吸收層產生等離子體，約束層延長等離子體的噴射時間，增加了沖擊壓力和作用時間。

5.2.1 能量吸收層

能量吸收層（如黑漆、鋁箔）對強化效果的影響基本可以歸結為，它與靶材的熱物性行為之間的差別，這種差別使等離子體產生膨脹、爆炸成為可能，所以在有涂層時，激光沖擊波的形成實際上取決于涂層與激光之間的作用。Zhang等人采用改進的黑漆涂層進行激光連續沖擊，發現其防護效果和抗剝離能力效果明顯。

5.2.2 約束層

約束層對沖擊強化效果的影響比較明顯，延長了等離子體的噴射時間，增加了沖擊壓力和沖擊時間。約束層主要采用K 9光學玻璃、有機玻璃、硅膠、合成樹脂和水等。玻璃類約束層對沖擊壓力提升效果最明顯，但僅適用于平面加工，且易碎，難于清理；硅膠和合成樹脂與靶材結合力小 ，且難以重復利用；水約束層的優點是廉價、清潔、重復效果好，可用于加工曲面，而且流動的水約束層可以帶走等離子體爆炸后的固體粉塵顆粒，這些優勢是其他所有約束介質無法取代的。Zhang等人發現分別采用黑漆和水作為吸收層和約束層會起到更好的沖擊效果。同時采用水作為約束層存在缺點：剛性差異導致約束效果不及玻璃；高功率下易產生擊穿等離子體；高沖擊頻率下，水層飛濺，光路上的水珠和水霧對激光形成散射。在使用水作為約束層時，采用行之有效的工藝方法，準確控制約束層厚度，保證水流均勻，以避免沖擊處有水波紋等仍是今后研究的重點。

5.3 材料

材料的不同，沖擊強化的效果也隨著不同，陳等人對3種不同材料進行激光沖擊強化處理，發現其硬度和耐磨性都得到顯著提高，但提高程度不同。

6 激光沖擊強化應用研究

激光沖擊強化是利用強激光誘導的高達數G帕的沖擊波壓力使材料表層發生微觀塑性變形，形成殘余壓應力層，從而有效地改善了金屬材料的機械性能，特別能大幅度提高材料的疲勞壽命、抗應力腐蝕性能。具有如下的特點：（1）高壓、高應變率。沖擊波峰壓力達到數萬個大氣壓 ；應變率達到107s－1，比噴丸強化高出萬倍，比爆炸高出百倍。（2）超快。塑性變形時間僅僅幾十納秒。（3）無機械和熱應力損傷。激光沖擊強化后的金屬表面不產生畸變和機械損傷，而且激光脈沖短，只有幾十納秒，瞬間完成與沖擊過程，且大部分能量被能量吸收層吸收，傳到金屬表面的熱量很少，所以無熱應力損傷。

1972年,美國巴特爾學院(Battelle Memorial Institute)的Fairand B.P.等人首次用高功率脈沖激光誘導的沖擊波來改變7075鋁合金的顯微結構組織以提高其機械性能,從此揭開了用激光沖擊強化應用研究的序幕?1978年秋,該實驗室的Ford S.C等人與美國空軍實驗室聯合,進行激光沖擊改善緊固件疲勞壽命的研究,結果表明激光沖擊強化可大幅度提高緊固件的疲勞壽命?當時由于缺少可靠的?高脈沖頻率的大功率激光器而未能實用化?20世紀80年代后期,歐洲?日本?以色列等國家和地區紛紛開展了激光沖擊強化技術研究?但從公開報道的資料看,到目前為止,國際上還只有美國將激光沖擊強化實際應用?20世紀90年代在美國高頻疲勞研究國家計劃等支持下,美國利佛莫爾國家實驗室和GE?MIC公司等聯合深入開展了激光沖擊強化技術的理論?工藝和設備的研究,使激光沖擊強化技術獲得了很大發展,逐步走向了實用,用于F110?F101?F414等發動機的生產和修理?其中,F110?F101發動機在使用中發生多次風扇葉片故障,迫使F101每飛25小時和F110每天第一次飛行前要做一次能夠發現0.127mm裂紋的精細檢查,采用激光沖擊強化解決了這一問題?進入21世紀之后,激光沖擊強化技術的應用取得了長足的進展?美國空軍為提高激光沖擊強化生產效率作出了很大的努力,設置了4個重要的制造技術計劃(Air Force Manufacturing Technology Programs),取得了許多重要進展,解決了提高激光沖擊強化生產效率和可移動式生產等工業應用問題?2002年以來,美國已將激光沖擊強化大規模用于航空部件的制造和修理中,例如,美國MIC公司將激光沖擊強化技術用于軍民用噴氣發動機葉片以改善其疲勞壽命,不但提高了飛機發動機的安全可靠性,而且每月可節約飛機保養費幾百萬美元?節約零件更換費幾百萬美元?美國預計僅僅戰斗機發動機葉片的處理,就能節約成本超過10億美元?2003年,美聯邦航空局(FAA)和日本亞細亞航空(JAA)將激光沖擊強化批準為飛機關鍵件維修技術,當年這項技術即被用于波音777飛機的零部件處理?2004年,美國激光沖擊技術公司(LSP Technologies,Inc.,LSPT)與美國空軍實驗室開展了F/A-22上F119發動機鈦合金損傷葉片激光沖擊強化修復研究,對具有微裂紋?疲勞強度不夠的損傷葉片,經過激光沖擊處理后,疲勞強度為413.7MPa,完全滿足葉片使用的設計要求379MPa,取得了巨大成功?此外,對葉片楔形根部進行激光沖擊處理后,其微動疲勞壽命至少提高25倍以上?目前,激光沖擊強化技術已大量用于F119-PW-100發動機整體葉盤等部件的生產?LSP公司還提出了對飛機蒙皮鉚接結構強化的專利,應用可移動激光設備在飛機裝配現場對鉚接后的鉚釘及其周圍強化,效果明顯?從2005年開始美國又將激光沖擊強化逐步擴大到大型汽輪機?水輪機葉片以及石油管道?汽車關鍵零部件等的處理?據報道僅石油管道焊縫的處理就能達到10億美元以上的收益?

7 結論

結合目前激光沖擊成形研究和應用現狀，認為激光沖擊強化技術要進入大規模的工程應用，尚需在以下幾個方面進行深入的研究：（1）一些激光沖擊強化理論仍需明確，主要是強化的第一階段，高能量激光作用（能量吸收層 、約束層 、激光光斑 、重疊激光脈沖和熱作用對強化效果的影響等等 ）。（2）由于在激光沖擊強化過程中，很難把握激光沖擊波與金屬靶材的作用進程，急需一種能夠在線監測和控制強化過程的沒備。（3）目前既能夠達到工業需求（如高激光能量 、短脈沖 、高重復頻率 ），又能滿足經濟承受能力的激光器還很少。

2012－01－07）