激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)原理及其應(yīng)用研究

劉學(xué)軍，張旖諾，吳嘉俊，胡太友，張洪瑤，李長云，萬爛軍

(1.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所 裝備制造技術(shù)研究室，遼寧 沈陽 110016；2.湖南工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，株洲412007 )

激光技術(shù)被譽(yù)為現(xiàn)代制造工業(yè)的“萬能加工工具”、“未來制造系統(tǒng)共同的加工手段”?，F(xiàn)代激光工業(yè)技術(shù)的常見應(yīng)用如切割、焊接、激光增材制造、激光拋光等，都是利用了激光的熱效應(yīng)來進(jìn)行加工，而作為激光表面改性技術(shù)最新應(yīng)用的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，其加工過程中利用的卻是激光的力學(xué)效應(yīng)(當(dāng)材料受到激光輻射照射時(shí)產(chǎn)生的沖擊波)。激光沖擊強(qiáng)化(laser shock peeing/processing，LSP)又稱激光噴丸，興起于20世紀(jì)70年代初，是一種新型的表面處理技術(shù)。經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化處理后，材料表面會(huì)形成一定深度影響層的殘余壓應(yīng)力，從而抑制材料疲勞裂紋的萌生和發(fā)展，顯著延長材料的疲勞壽命，提高材料的抗腐蝕性和耐磨性[1-3]；適用于高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)的金屬材料表面處理。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)具有高效、環(huán)保、不會(huì)破壞靶材表面完整性等優(yōu)勢，近年來，該技術(shù)受到廣泛重視，得到了快速發(fā)展。

金屬材料的主要失效形式是疲勞、腐蝕和磨損，而這些失效形式無一例外均開始于材料表面，所以金屬材料表面的結(jié)構(gòu)及其綜合性能直接影響著金屬材料的綜合性能。對于具有高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的金屬材料，由于材料的抗疲勞強(qiáng)度要求高，因此激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)可以滿足材料的硬度、殘余應(yīng)力、組織損傷等“表面完整性抗疲勞制造”技術(shù)指標(biāo)，比如可以提高帶緊固孔連接件的疲勞壽命，降低孔邊的裂紋擴(kuò)展速率等[4]。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)同時(shí)是一項(xiàng)軍民兩用技術(shù)，與傳統(tǒng)表面強(qiáng)化技術(shù)相比，激光沖擊強(qiáng)化在精密航空零件材料強(qiáng)化方面有著顯著優(yōu)勢，是目前應(yīng)用最為廣泛的先進(jìn)表面改性技術(shù)[5]。近年來，隨著人們對材料服役性能的要求越來越高，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在航空航天、軌道交通、石化、兵器、海洋船舶、醫(yī)療工業(yè)等領(lǐng)域顯示了巨大的技術(shù)優(yōu)勢和擁有著廣闊的應(yīng)用前景[6]。

1 等離子體沖擊波

等離子體沖擊波是使材料表面得到強(qiáng)化的直接誘導(dǎo)因素，根據(jù)沖擊波相對于氣體傳播速度的差異，可分為燃燒波(Laser supported combustion，LSC)和爆轟波(Laser supported detonation，LSD)兩類。而激光沖擊強(qiáng)化的過程中，等離子體誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波是爆轟波(LSD)，它以104 m/s的速度向四周傳播。爆轟波的壓力與激光功率密度和脈沖能量有關(guān)，激光的功率密度越大，脈沖能量越強(qiáng)，等離子體誘發(fā)產(chǎn)生的爆轟波的壓力也越高[7-9]。激光沖擊強(qiáng)化的作用原理主要涉及兩個(gè)方面，等離子體沖擊波的形成和沖擊波對金屬材料表面的改性。

1.1 等離子體沖擊波的形成

高能脈沖激光束穿過透明約束層后照射涂覆在金屬材料表面的吸收層，吸收層材料吸收高能能量后產(chǎn)生等離子體，同時(shí)伴隨有升溫、熔融、氣化、噴濺等現(xiàn)象，這是一種物理性質(zhì)的爆轟波。等離子體作為沖擊波能量的載體，吸收激光高能量而自持傳播。激光等離子體的一部分能量以輻射的形式耗散，由于不同波長的波之間存在著傳播速度差，擾動(dòng)波陣面在穿過材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊波。

1.2 沖擊波在材料內(nèi)部的傳播和相互作用

等離子體沖擊波在一個(gè)高溫高壓的環(huán)境下產(chǎn)生，器作用時(shí)間十分短暫(為ns 量級)，在這樣的高溫、高壓、極短時(shí)間的作用下材料會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的組織變化，同時(shí)在沖擊強(qiáng)化的作用過程中，沖擊波的峰值壓力遠(yuǎn)大于金屬材料發(fā)生塑性變形時(shí)的屈服極限，當(dāng)沖擊波壓力大于金屬材料彈性極限時(shí)，材料會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)響應(yīng)，形成動(dòng)態(tài)塑性變形。

2 激光沖擊強(qiáng)化基本原理

激光沖擊強(qiáng)化原理如圖1所示。

圖1 激光沖擊強(qiáng)化過程原理圖[10]Fig.1 Schematic of LSP process[10]

在材料表面，有一個(gè)不透明的激光輻射吸收層，其蒸發(fā)溫度低，其上面覆蓋有透明約束層(常見的有K9玻璃、硅油或流水)。當(dāng)短脈沖高峰值功率密度的脈沖激光照射金屬表面時(shí)，金屬表面非透明層(吸收層)吸收激光能量后使材料在超高應(yīng)變速率下發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)[11]，在金屬表面和透明層(約束層)之間形成高溫高壓的激光誘導(dǎo)等離子體，該等離子體的分布受到約束層的限制，體積逐漸膨脹，由于存在空間限制，最終電離爆炸，產(chǎn)生高壓沖擊波，在平行于沖擊表面的平面里產(chǎn)生雙軸壓應(yīng)力場[12]。強(qiáng)化作用結(jié)束后，由于沖擊區(qū)域周圍材料的反作用，在材料表層形成密集且穩(wěn)定的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，其力學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為材料表面獲得較高的殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力可引起裂紋的閉合效應(yīng)，從而有效降低疲勞裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，延長疲勞裂紋擴(kuò)展壽命[13]。圖2為殘余壓力場形成原理。

3 激光誘導(dǎo)沖擊波的產(chǎn)生方式及沖擊效果

激光誘導(dǎo)形成等離子體沖擊波的放式有兩種，一種是“非約束型”，另一種是現(xiàn)在主要應(yīng)用的“約束型”。激光沖擊強(qiáng)化能夠產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化效果，主要得益于其約束層原理結(jié)構(gòu)。約束層原理結(jié)構(gòu)是日本科學(xué)家在20世紀(jì)90年代研究過程中發(fā)現(xiàn)的，大大推動(dòng)了激光沖擊強(qiáng)化這項(xiàng)新型技術(shù)走向工業(yè)化應(yīng)用。

圖3為激光沖擊強(qiáng)化的兩種模型。對于“非約束型”的作用方式，激光輻照在材料表面形成的沖擊波，則不受外界的約束限制，沖擊波壓力都比較低；在材料加工過程中，由高能激光產(chǎn)生的熱影響占主導(dǎo)地位，金屬表面受熱膨脹，容易對材料進(jìn)行塑性壓塑，從而使得材料表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，不利于材料疲勞壽命的提高[19]。

圖2 殘余壓力場形成原理Fig.2 The formation mechanism of residual stress field

(a)非約束型；(b)約束型圖3 激光沖擊處理的兩種模型[18]Fig.3 Two models of laser shock treatment[18]

而“約束型”的作用方式，通過透明約束層的作用，使得等離子體沖擊波壓力大大提高；其能夠使沖擊波作用空間集中在微小范圍之內(nèi)，從而產(chǎn)生純粹的機(jī)械效應(yīng)[20]。該方式能夠使沖擊波峰值壓力達(dá)到GPa甚至TPa量級，遠(yuǎn)超材料的動(dòng)態(tài)屈服極限，在激光沖擊強(qiáng)化作用結(jié)束后，材料表面硬度得到顯著提高，產(chǎn)生均勻的殘余壓應(yīng)力層，從而提高金屬材料的服役性能。

“約束型”模式下激光沖擊強(qiáng)化涂層材料的選擇。涂層材料的作用是吸收激光能量，產(chǎn)生等離子體沖擊波，與約束層共同作用起到增加沖擊波峰值壓力的效果。此外，涂層材料在吸收激光能量產(chǎn)生高壓沖擊波的同時(shí)需要保證金屬靶材不被激光燒蝕。涂層材料需要盡可能地多吸收激光能量，其對激光的吸收率當(dāng)然是越高越好。同時(shí)涂層材料的厚度需要適中，這是由材料表面的熱效應(yīng)所決定的，過厚的涂層會(huì)增加吸收層與約束層的距離，使得等離子體作用空間變大，沖擊波壓力會(huì)在一定程度上降低；而過薄的吸收層容易使得金屬靶材表面被激光燒蝕，反而會(huì)降低材料表面的強(qiáng)化效果。目前，用的最為廣泛的涂層材料為黑膠帶。另外有關(guān)文獻(xiàn)表明[21]，采用鋁箔作為吸收涂層，能夠增大激光的輸出脈沖，沖擊波壓力也會(huì)隨之增大。因此鋁箔作為吸收層也逐漸獲得越來越多人的青睞。

4 顯微組織

激光沖擊強(qiáng)化之所以能夠提高材料疲勞壽命，跟材料表層顯微組織的變化有著密切的關(guān)系。在超高應(yīng)變率的沖擊波作用下，材料表層組織位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加快，產(chǎn)生位錯(cuò)增殖、晶粒細(xì)化等現(xiàn)象，同時(shí)形成多種強(qiáng)化的亞細(xì)結(jié)構(gòu)，從而提高材料的疲勞抗力。

關(guān)于激光沖擊強(qiáng)化后材料顯微組織的變化，國內(nèi)外大批學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。張永康[22]通過對鎂合金激光沖擊強(qiáng)化處理，研究發(fā)現(xiàn)鎂合金晶粒經(jīng)過強(qiáng)化處理后，其晶粒組織得到細(xì)化，且晶粒細(xì)化程度隨激光沖擊強(qiáng)化次數(shù)的增加而增加(圖4)。

(a)未激光沖擊；(b)激光沖擊1次；(c)激光沖擊2次；(d)激光沖擊4次圖4 不同沖擊次數(shù)的AZ31B鎂合金的表層顯微組織[22]Fig.4 Surface microstructure of AZ31B magnesium alloys with different impact times[22]

Che[23]通過Ti6Al-4V激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了自納米化現(xiàn)象。Trdan對 A1-Mg-Si合金激光沖擊強(qiáng)化的位錯(cuò)演變機(jī)制與晶粒細(xì)化形成過程進(jìn)行了研究；發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)沖擊波的作用下，合金的位錯(cuò)密度約提高了2.5倍，并且能夠觀察到納米晶及亞納米晶現(xiàn)象。

5 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢

噴丸是現(xiàn)階段應(yīng)用最為普遍的材料表面強(qiáng)化工藝之一，能夠大大提高金屬材料的服役性能。其強(qiáng)化原理是通過不同材質(zhì)的高硬度彈丸高速撞擊零部件表面，使金屬圍繞著每個(gè)彈丸產(chǎn)生塑性流動(dòng)，形成表面殘余壓應(yīng)力場，誘導(dǎo)晶粒的形狀和方向改變，從而明顯改善材料的抗疲勞、耐腐蝕等性能，故處理后的材料表面粗糙度會(huì)增加明顯，甚至造成表面開裂、脫層等表面損傷，這些因素在一定程度上損害了金屬材料的表面完整性，同時(shí)也降低了材料的性能[14-15]。

在強(qiáng)化機(jī)理上，激光沖擊強(qiáng)化與噴丸有著一定的相似性，但是在適用范圍和強(qiáng)化效果方面，激光沖擊強(qiáng)化有著顯著的技術(shù)優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下幾方面：

1)強(qiáng)化效果顯著。激光沖擊強(qiáng)化是一種低能耗的加工方式，其能在材料表面產(chǎn)生比傳統(tǒng)表面強(qiáng)化工藝(如噴丸、滾壓等)殘余應(yīng)力更大、影響層更深的強(qiáng)化層，同時(shí)能夠得到細(xì)化晶粒組織，極大地提高了材料的疲勞性能。

2)快速。塑性動(dòng)態(tài)作用時(shí)間在ns量級[16]。

3)工藝參數(shù)精確可控。激光強(qiáng)化過程中，激光器工藝參數(shù)是可調(diào)可控的，且激光沖擊強(qiáng)化路徑能夠依靠機(jī)器人進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)精確可控；同時(shí)可以通過參數(shù)控制和多次強(qiáng)化，從而得到理想的強(qiáng)化效果。

4)能夠?qū)崿F(xiàn)材料表面局部處理。脈沖激光具有可達(dá)性好、光斑直徑可調(diào)和精確定位等優(yōu)點(diǎn)，可對復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的局部區(qū)域進(jìn)行處理，這是傳統(tǒng)表面強(qiáng)化工藝不能實(shí)現(xiàn)的，尤其適合飛機(jī)榫槽等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的局部處理，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料微米級的強(qiáng)化。

5)具有良好的表面性能[17]，無需對材料表面進(jìn)行后續(xù)處理。

6)具有環(huán)境友好、無污染的特點(diǎn)。

6 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用

激光沖擊強(qiáng)化的研究開始于20世紀(jì)60年代，而實(shí)質(zhì)性的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究則是70年代后的事情[24]。由于受當(dāng)時(shí)設(shè)備條件等因素的限制，前期的研究工作主要在實(shí)驗(yàn)室開展，而工業(yè)實(shí)際應(yīng)用則開始于80年代中后期。

1972年，美國巴特爾學(xué)院的Fairand等[25]首次利用高功率脈沖激光器誘導(dǎo)的等離子體沖擊波對7075鋁合金進(jìn)行處理，揭開了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用研究的序幕。1973-1981年間，該單位的Clauer等[26-27]研究了激光沖擊強(qiáng)化在結(jié)構(gòu)緊固件方面的工業(yè)應(yīng)用；由于激光源的缺乏，在一定程度上限制了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用，未見該實(shí)驗(yàn)室在激光沖擊處理應(yīng)用方面的進(jìn)一步發(fā)展。

1986年， Fabbro等在法國汽車與航空工業(yè)部門的支持下進(jìn)行了激光沖擊強(qiáng)化工藝和方法的研究，建立了沖擊波峰值壓力計(jì)算模型：

(1)

式中，ξ為內(nèi)能轉(zhuǎn)化熱能的系數(shù)；I0為入射激光功率密度，GW/cm2；Z為金屬靶材與約束層的合成聲阻抗，g·cm-2·s-1。該模型能夠很好地反映沖擊波的變化規(guī)律，至今仍為大多數(shù)人采用，具有廣泛的應(yīng)用意義。

到了上世紀(jì)90年代，由于高能量大功率激光器技術(shù)的研制，使得激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)走向?qū)嶋H工業(yè)應(yīng)用[28]。當(dāng)時(shí)代表性的研究單位有美國通用電氣(GE)公司和金屬改性公司(MIC)以及美國利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室等，這極大地推動(dòng)了激光沖擊強(qiáng)化在基礎(chǔ)理論、設(shè)備開發(fā)、工藝研究等方面的進(jìn)步，并且成功應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的表面強(qiáng)化處理[29]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，激光沖擊強(qiáng)化的應(yīng)用每月可為美國空軍節(jié)省軍費(fèi)幾百萬美元[30]。

21世紀(jì)以來，越來越多的國家開展激光沖擊強(qiáng)化方面相關(guān)工作研究。2001年，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)首次在商用飛機(jī)上得到實(shí)際應(yīng)用。2005年，美國MIC開發(fā)了世界上第一套激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)，應(yīng)用于軍用飛機(jī)零部件的表面處理。2009年，美國MIC在海外建立激光沖擊強(qiáng)化工廠，推動(dòng)了該技術(shù)的大力發(fā)展和走向軍民兩用。

我國在激光沖擊強(qiáng)化方面的研究工作，起步相對較晚。經(jīng)過近30年的發(fā)展，我國在激光沖擊強(qiáng)化領(lǐng)域取得了豐富的科研成果，但是大多數(shù)依然是處于實(shí)驗(yàn)研究階段。國內(nèi)在該方面開展工作比較多的單位有江蘇大學(xué)、空軍工程大學(xué)、北京航空制造工程研究所及中科院沈陽自動(dòng)化所。1992年，南京航空航天大學(xué)率先開展相關(guān)研究工作，當(dāng)時(shí)主要是對鋁合金進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后，材料表面形成一定數(shù)值的殘余壓應(yīng)力，且材料疲勞壽命得到一定的提高。1997年開始，江蘇大學(xué)在激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)機(jī)理、涂層與約束層應(yīng)用、強(qiáng)化工藝試驗(yàn)、激光沖擊集成裝備等方面進(jìn)行了一系列研究；但受到設(shè)備限制加之沒有明確的應(yīng)用背景，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)仍未被推向工業(yè)應(yīng)用[31-32]。2008年，空軍工程大學(xué)作為牽頭單位聯(lián)合多家設(shè)備制造商以及解放軍5713工廠、中航460廠等技術(shù)應(yīng)用單位，采用“設(shè)備供應(yīng)—理論研究—實(shí)踐應(yīng)用”三位一體的合作模式，在我國陜西省西安市閻良區(qū)建立了我國第一條激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)線，標(biāo)志著我國成為第二個(gè)掌握該技術(shù)工程實(shí)際應(yīng)用的國家[33]。2011年，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所趙吉賓研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了我國第一套葉盤激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)(圖5)，該系統(tǒng)在黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司得到了實(shí)際應(yīng)用，填補(bǔ)了我國無激光沖擊強(qiáng)化工業(yè)應(yīng)用設(shè)備的空白[34-35]。2013年，中科院沈陽自動(dòng)化所與鞍山鋼鐵合作，實(shí)現(xiàn)了對模具微小裂紋的強(qiáng)化處理，每年可為鞍鋼節(jié)省幾千萬的生產(chǎn)成本。

圖5 整體葉盤激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備[35]Fig.5 LSP equipment for turbine blisk[35]

7 結(jié)束語

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是一種綠色環(huán)保、高效的新型表面改性技術(shù)，具有強(qiáng)化效果顯著、可控性強(qiáng)、適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)和高能、高壓、超高應(yīng)變率的技術(shù)優(yōu)勢，在提高材料表面性能和疲勞壽命方面有著不可替代的作用。隨著對激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究的不斷深入，以及大型激光器、機(jī)器人、智能制造等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)必然走向成熟，必將在多個(gè)領(lǐng)域得到實(shí)際的工業(yè)應(yīng)有，使更多企業(yè)受益。