鋁合金低能激光噴丸強化技術及其研究進展

肖靜怡，胡宇佳

鋁合金低能激光噴丸強化技術及其研究進展

肖靜怡，胡宇佳

（航空工業西安飛機工業（集團）有限責任公司，陜西 西安 710089）

無吸收層低能激光噴丸強化（LSPwC）是基于激光噴丸強化技術（LSP）發展出的一種新型表面處理技術，可以有效提高材料疲勞強度、疲勞壽命和抗應力腐蝕能力，且由于LSPwC采用低能激光，不需要吸收層涂覆，比LSP成本更低。介紹了LSPwC技術的原理，探討了其優缺點及可行性，著重介紹了LSPwC在鋁合金方面的研究進展。

LSP；LSPwC；激光脈寬；沖擊波波峰

1 引言

激光噴丸強化（LSP）是金屬表面處理的最新工藝方法之一，可以有效提高材料疲勞強度、疲勞壽命和抗應力腐蝕能力。而鋁合金由于具有較高的比強度、比模量和良好的可焊性，是現階段航空產業中應用最廣泛的材料。目前高能激光噴丸強化技術在航空鋁合金上的應用已經廣泛開展，并取得顯著成果[1-2]。但由于對激光器要求較高且生產成本較高，并沒有得到廣泛應用。

與此同時，無需吸收層的低能激光噴丸技術（LSPwC）在鋁合金上的研究仍極為有限。對比高能激光噴丸，LSPwC使用基礎頻率的低能激光，且不需要對零件表面進行吸收層涂覆處理，極大降低了生產成本和使用門檻。因此，研究鋁合金的無吸收層低能激光噴丸強化技術，對航空制造行業具有重要意義。

2 概述

1961年，MICHAELS提出了脈沖激光輻照在材料表面能產生一定強度的沖擊波[3]，在材料表面涂覆一層不透明的吸收層，并在吸收層之上涂覆約束層，高能脈沖激光通過透明約束層輻照吸收層之上，使其迅速汽化產生高壓等離子云，利用等離子爆炸產生的沖擊波在零件表面產生壓縮應力層。吸收層的主要作用是避免激光直接接觸零件表面形成燒蝕、提供等離子體并增加激光吸收能量，約束層的主要作用是限制等離子的膨脹，增加沖擊波的波峰峰值和脈沖寬度。研究表明，當激光器的能量密度達到5～10 GW/cm2時，就可以提供峰值足夠高的沖擊波，使其達到材料的Hugonoit彈性極限，從而產生壓縮應力層和塑性變形[4]。

2006年，SANO等人[4]提出，使用雙頻激光器Nd：YAG的無需吸收層的低能激光噴丸技術[3]，在產生更少的熱量的同時產生足夠強的高壓等離子云，從而避免了激光燒蝕過程中表面極端狀況的發生。除此之外，低能激光噴丸強化有望改善脈沖激光的重疊狀況。在高能激光燒蝕情況下，吸收涂層用來避免零件表面的融化和再凝固。高能激光存在脈沖重疊的情況，吸收層會在第一輪沖擊時汽化，因此很難避免零件表面的融化。這一現狀可以通過設定最佳的參數的LSPwC技術解決。通常來講，小于1 J的激光就稱為低能激光，但即使激光能量達到3 J并產生2～3次諧波，也可以在合理的成本內產生較好的激光噴丸結果。

在LSPwC使用直接燒蝕方式的情況下，沖擊波峰值壓力與激光的脈寬息息相關。根據FABBRO等人的研究[5]，在約束情況下，沖擊壓力持續時間增加3～4倍。因此，可以使用較短的脈沖寬度獲得較大的沖擊峰值。通常使用Nd：YAG激光器進行無吸附層的低能噴丸強化時，使用脈寬10 ns的脈沖激光。影響沖擊波峰值的另一個因素是即時脈沖波形，一般來說，短時上升脈沖（SRT）比Gaussian脈沖能產生更大的沖擊波峰值[2]。此外，激光波長也是一個影響因素，通常LSPwC的第二和第三諧振波波長更大。殘余應力分布的激光點形狀和峰值壓力影響殘余應力場的一致性。不同鋁合金材料低能噴丸強化的基本條件如表1所示[6-7]。

表 1 不同鋁合金材料低能噴丸強化的基本條件

材料激光能量/J波長/nm脈寬/ns表面殘余應力/MPa 6061-T60.31 06410-276.9 2024-T3512.41 0649-405

3 研究進展

低能激光噴丸技術是在研究早期的微凹坑陣列激光噴丸時提出的。SANO等人研究了LSPwC對于攪拌摩擦焊接鋁合金Al-6061-T6疲勞性能的影響[8]。彎曲疲勞測試（=﹣1）結果顯示，使用了60 mJ激光能量的雙頻Nd：YAG激光器進行LSPwC處理后，樣件疲勞壽命顯著提高。在相同人員的另一項研究中，證實了LSPwC處理有效地阻止了鋁合金的裂紋蔓延。研究者在使用基礎波長進行的LSPwC實驗中，遇到表面融化和再凝固現象，這一問題通過進一步調整激光噴丸參數得到解決。

SATHYAJITH等人使用1 064 nm基礎波長的低能 （300 mJ）激光在6061-T6鋁合金上進行LSPwC處理后發現[9]，殘余壓應力提高約190%，應力層深度達到1.2 mm，在低能激光噴丸技術上形成了重大突破。在這項低能激光噴丸強化的研究中，脈沖密度（31 pulses/mm2）對在10 ns的短脈沖條件下形成足夠強的激光沖擊載荷起到了至關重要的作用。激光的效應累計達到了0.6～0.9 kJ/cm2，可以和高能激光強化相提并論。這表明，可以通過調節脈沖密度產生較深的殘余壓縮應力層。

現階段已可通過調節脈沖密度和沖擊次數產生較深的殘余壓縮應力層。Uro? Trdan等人開展了LSPwC的過程模擬[10]，證明這種方法可有效地在近表層引入最大的壓縮殘余應力，并且可提高深層硬度。該研究使用的10 ns脈沖激光的最大能量達到1.9 J，并且使用1.5 J Nd：YAG激光進行隨機LSPwC處理的模型，來減少殘余應力的各項異性。

4 結論

LSPwC技術具有成本低廉，無需吸收層的優點，但由于缺少吸收層容易造成材料表面燒蝕融化，因此需要經過大量實驗，對工藝參數進行優化。本文討論了LSPwC技術在鋁合金材料上的研究進展，并給出了適用不同鋁合金的LSPwC工藝參數。未來，隨著LSPwC技術研究的日益深入，必將在航空領域，特別是小區域復雜外形的表面強化上，得到廣泛的應用。

［1］黃舒，周建忠，孫月慶，等.激光噴丸強化6061-T6鋁合金板料的表面完整性研究［J］.應用激光，2011，38（6）：17-27.

［2］馬壯，李應紅，任旭東，等.航空鋁合金激光噴丸強化研究［J］.制造技術與機床，2007（10）：36-40.

［3］MICHAELS J E.Planetary and space［M］.New York：McGraw-Hill，1961.

［4］SANO Y，OBATA M，KUBO T，et al.Retardation of crack initiation and growth in austenitic stainless steels by laser peening without protective coating ［J］. Materials science and engineering，2006，417（1）：334-340.

［5］FABBRO R，FOURNIER J，BALLARD P，et al.Physical study of laser-produced plasma in confined geometry［J］.Journal of applied physics，1990，68（2）：775-784.

［6］SATHYAJITH S，KALAINATHAN S.Effect of laser shot peening on precipitation hardened aluminum alloy 6061-T6 using low energy laser［J］.Optics and lasers in engineering，2012，50（3）：345-348.

［7］CORREA C，PERAL D，PORRO J A，et al.Random-type scanning patterns in laser shock peening without absorbing coating in 2024-T351 Al alloy：a solution to reduce residual stress anisotropy ［J］.Optics & Laser technology，2015（73）：179-187.

［8］SANO Y，MASAKI K，GUSHI T，et al.Improvement in fatigue performance of friction stir welded A6061-T6 aluminum alloy by laser peening without coating［J］.Materials and design，2012（36）：809-814.

［9］SATHYAJITH S，KALAINATHAN S，SWAROOP S. Laser peening without coating on aluminum alloy Al-6061-T6 using low energy Nd:YAG laser［J］.Optics & laser technology，2013（45）：389-394.

［10］Uro? Trdan，José L Oca?a，Porro Juan A ，et al. Laser shock peening without absorbent coating（LSPwC）effect on 3D surface topography and mechanical properties of 6082-T651 Al alloy［J］. Surface and coatings technology，2012（208）：109-116.

TG156.99

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.064

2095－6835（2021）08－0158－02

肖靜怡（1988—），女，工學學士，工程師，工藝員，研究方向為噴丸強化、噴丸成形加工。

〔編輯：丁琳〕