激光沖擊強(qiáng)化對金屬材料疲勞壽命的影響及應(yīng)用

摘 要：本文從激光沖擊強(qiáng)化材料表面致使金屬材料表面形成殘余應(yīng)力、改變金屬材料的微觀組織結(jié)構(gòu)機(jī)理兩個(gè)角度闡釋了激光沖擊強(qiáng)化過程中材料的表面抗疲勞性能得以進(jìn)一步改良的本質(zhì)原因。并舉例說明了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在各范圍的應(yīng)用，指出了探究激光沖擊強(qiáng)化時(shí)的重點(diǎn)及難點(diǎn)，簡單描述了其發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：激光沖擊強(qiáng)化；表面改性；疲勞壽命

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.273

0 引言

金屬材料疲勞失效一般發(fā)生在材料應(yīng)力集中程度較大的表面或是含有雜質(zhì)、缺陷的內(nèi)部。對于受扭轉(zhuǎn)、彎曲、剪切及其組合變形的零件而言，疲勞裂紋往往起源于材料表面。因此，改善金屬材料的表面質(zhì)量、強(qiáng)化其表面性能，增強(qiáng)機(jī)械零部件的性能和壽命成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。激光表面強(qiáng)化技術(shù)具有功率密度高、加工靈活、操作方便無污染等優(yōu)勢，因此，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域。其中，激光沖擊強(qiáng)化被普遍地用來提高金屬原材料的疲勞壽命。激光沖擊強(qiáng)化是在極為短暫的時(shí)間（納秒級）內(nèi)將激光束照射在金屬材料的表面，迫使材料表面產(chǎn)生等離子體，并利用等離子體膨脹的過程對金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。這一沖擊過程將使材料因產(chǎn)生晶體點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)或則孿晶而得以強(qiáng)化[1]，如圖1。

1 激光沖擊強(qiáng)化形成金屬材料表面殘余應(yīng)力層

傳統(tǒng)的噴丸技術(shù)是在被處理的金屬表面形成一層較薄的殘余壓應(yīng)力，其被證實(shí)能夠限制疲勞裂紋擴(kuò)展的速率。但是，傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)變較大，且形成的殘余應(yīng)力層較薄，而激光沖擊在非常高的應(yīng)變率下能以較小的應(yīng)變形成大于一毫米的殘余應(yīng)變層。Dane.C.等[2]通過比較Inconel718合金經(jīng)噴丸技術(shù)和激光沖擊處理后的殘余應(yīng)力分布圖2，得出激光沖擊均優(yōu)于噴丸技術(shù)的結(jié)論。激光沖擊形成的殘余壓應(yīng)力與金屬材料、涂層、激光束的尺寸等都息息相關(guān)：用不同的材料來作為吸收層所得到的殘余應(yīng)力分布不同，根據(jù)Hong， X [3]的研究結(jié)果顯示黑漆作為吸收材料能更好的吸收激光能束；涂層是用來吸收更多的沖擊波使金屬產(chǎn)生塑性變形，一般而言涂層的選擇是根據(jù)介質(zhì)的光傳播速度和密度，研究表明水是最適合的涂層，但是涂層與殘余應(yīng)力場的具體關(guān)系仍然沒有相關(guān)報(bào)道。

2 激光沖擊強(qiáng)化改變金屬材料微觀組織

在激光強(qiáng)脈沖沖擊下，金屬材料的相結(jié)構(gòu)得到強(qiáng)化，可檢測到?jīng)_擊波對材料表面的沖擊凹陷。這在一定程度上對材料表層進(jìn)行了“夯實(shí)”，能夠有效地遏制疲勞裂紋的形成和擴(kuò)散[4]。其發(fā)出的等離子沖擊波壓力值可以達(dá)到數(shù)千兆帕，而金屬原材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度極小于此沖擊波壓力極值，使得金屬原材料有序的晶體結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生位錯(cuò)及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)[5]，這會(huì)在一定程度上影響裂紋的萌生和擴(kuò)展。經(jīng)過激光沖擊的金屬材料表面的應(yīng)變率和應(yīng)變最大，這些細(xì)分結(jié)構(gòu)形成亞晶界，最后導(dǎo)致等軸細(xì)化晶粒的形成。在多次重復(fù)的激光沖擊中，沖擊到金屬材料表面的距離不斷增加，應(yīng)變率隨之不斷減小，并且在開始時(shí)，應(yīng)變率會(huì)快速遞減。另，其微觀結(jié)構(gòu)隨著深度的不同也會(huì)發(fā)生變化。所以，激光沖擊產(chǎn)生的應(yīng)變率和應(yīng)變嚴(yán)重地影響著粗晶的細(xì)化及其微觀結(jié)構(gòu)特征。

3 激光沖擊強(qiáng)化在疲勞壽命研究中的應(yīng)用

零件某些區(qū)域用噴丸處理得不到理想效果，如V形刻槽，就可以使用激光沖擊處理。激光沖擊處理可以增加殘余壓應(yīng)力層的深度，能夠顯著改進(jìn)材料的性能、更有效地控制金屬表面的裂紋生長。因此在增加金屬的疲勞壽命及增強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度方面，可以廣泛地使用激光沖擊處理，也可用來強(qiáng)化零件的薄壁性能。在航天工業(yè)中，很多航天類產(chǎn)品都可以使用激光沖擊處理技術(shù)，并且，激光沖擊處理焊接和已焊接修復(fù)葉輪機(jī)零部件的技術(shù)已申請了專利。對于航空設(shè)備表面的緊固孔出現(xiàn)老化和產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，可以用激光沖擊處理進(jìn)行磨光，延長使用壽命。在激光沖擊處理的整個(gè)過程中，工件表面的質(zhì)量基本不被破壞，工作過程保持干凈，不破壞工作環(huán)境。另外，激光沖擊強(qiáng)化還應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域，比如永久植入物強(qiáng)化、可降解植入物強(qiáng)化等。

4 討論

激光沖擊處理使金屬原材料的表面形成殘余壓應(yīng)力層的深度大于1毫米，讓使金屬原材料的疲勞性能獲明顯的改良，而且，可以使金屬原材料表面得到強(qiáng)化，使某些材質(zhì)（如鑄鐵，鈦合金，鋁合金等）的金屬零部件性能得到改良。但是，激光沖擊強(qiáng)化的工藝過程及強(qiáng)化微觀機(jī)制還得開展深一步的探究。特別是關(guān)于激光沖擊強(qiáng)化的抗應(yīng)力腐蝕疲勞強(qiáng)化特性展開的研究仍然較少，激光沖擊處理涉及到的冶金技術(shù)的領(lǐng)域從未被進(jìn)一步探究。最后，為更好地闡釋激光沖擊波對殘余壓應(yīng)力層的產(chǎn)生及其深度的影響，應(yīng)搭建相應(yīng)的過程模型。

參考文獻(xiàn)：

[1]Y.K.Zhang，J.Z.Lu， X.D. Ren， H.B. Yao， and H.X.Yao，Effect of laser shock processing on the mechanical properties and fatigue lives of the turbojet engine blades manufactured by LY2 aluminum alloy.Materials and Design，2009，30（5）：1697-1703.

[2]C.B.Dane， L.A.Hackel， J.Daly. Shot Peening with lasers. Advanced Materials and Processes，1998，（153）：37-38.

[3]Hong X，Shengbo W， Dahao G.Confining medium and absorptive overlay： Their effects on a laser-induced shock wave. Optics and Lasers in Engineering，1998（29）：447-455.

[4]鄒世坤，譚永生，郭大浩等.激光沖擊處理對鋁鋰合金力學(xué)性能的影響[J].中國激光，2004 ，31（03）：371—373.

[5]喬紅超，趙亦翔，趙吉賓等.激光沖擊強(qiáng)化對TiAl合金組織和性能的影響[J].光學(xué)精密工程，2014，22（07）：1766—1772.

作者簡介：彭敏（1988-），女，碩士研究生，教師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。