基于激光沖擊的金屬材料機械性能研究及影響分析

郭子景

（廣東科達潔能股份有限公司，廣東 佛山 528313）

對于金屬材料機械性能的改善，最常使用且最有效的方式就是激光沖擊包括不銹鋼、碳鋼、合金鋼、鋁合金等金屬材料，激光沖擊作用之后，能夠提高鋁合金的疲勞壽命，達到4倍意義上，從而代替了噴丸處理這種傳統(tǒng)技術。然后是金屬材料當中的P-N結構的雜質擴散以及鐵芯磁損耗，更是可以利用激光沖擊進行改善[1,2]。可以說，對于金屬材料而言，往往都能夠通過激光沖擊的應用，提高金屬材料的強度、耐腐蝕性，特別是在疲勞壽命方面，更是能夠使其得到大大提高。激光沖擊的金屬材料，在機械性能有著極強的改善，對于提高金屬材料的實際使用壽命和使用穩(wěn)定性而言具有極大的價值，更是能夠使金屬材料在各個行業(yè)的應用當中具有更好的前景以及帶來更多的經(jīng)濟效益。本文主要對于這一方面展開了探討，以下為詳細內容[3]。

1 材料說明

激光沖擊處理所采用的金屬材料為：2024T62鋁合金，而激光裝備則為高功率密度的釹玻璃激光裝置。以下對于這兩點逐一展開說明：

第一，金屬材料：2024T62鋁合金。該金屬材料的化學成分和機械性能如下表所示：能夠充分的吸收激光，需要在金屬材料涂面層覆蓋透明K9光學玻璃片將其作為約束層，從而增加激光沖擊處理過程當中金屬材料所受的壓力。

分析金屬材料疲勞壽命的試件主要采用雙聯(lián)狗骨型緊固孔疲勞試件，其涂層和約束層同上，試件的兩個孔，一個為雙面激光強化使用，另一個作為對比使用。

第二，本試驗所采取的激光裝置為高功率密度的釹玻璃激光裝置。該裝置進行激光沖擊處理時，裝置的光路系統(tǒng)都是有諧振腔、前置放大1/2、主方大1/2/3三個部分構成的，激光波長的長達達到1.06μm，單脈沖最大能量約為40焦。

試驗采用的調制晶體為KDP晶體，氙燈電壓增加到1280伏，這樣才能夠保證激光脈沖寬度達到30ns。緊接著需要調整光路系統(tǒng)，從而確保激光能量為調制過的激光能量，沒有自由震蕩作用所產生的能量[4]。采用7834Tek儲存示波器監(jiān)測激光波形，最后得出結論：激光脈沖寬度最大寬達30ns，能夠實現(xiàn)在線能量控制，這一過程當中如果發(fā)現(xiàn)能量波動太大或者等不正常情況，就需要檢查光路系統(tǒng)是否正常運行，氙燈電壓的調整使其恢復至正常狀態(tài)。

表1 激光沖擊處理金屬材料的化學成分和機械性能

試驗所使用的金屬材料尺寸為15mm＊20mm＊3mm，表面涂黑漆涂層，厚度長達0.1mm，確保在激光沖擊試驗當中

2 對硬度的影響

激光處理會產生極強的應力波，進而金屬表面會形成沖擊力，峰值壓力可達到1.75GPa甚至以上。如果應力波傳播進入到了金屬材料的內部，那么峰壓便會超出金屬材料的動態(tài)屈服強度，導致金屬材料的塑性變形。

塑性變形會持續(xù)到峰壓小于態(tài)屈服強度，最后，金屬材料表面會不斷的冷卻硬化，增強疲勞壽命。

激光沖擊處理過程當中激光沖擊參數(shù)如下：能量為27.5J，激光脈寬為30ns，功率密度為1.12GW/cm2，光斑直徑為10mm，通過相關的計算可得出金屬材料表面的沖擊波峰壓大約在1.8GPa，大于鋁合金這種金屬材料表面的動態(tài)屈服強度，導致金屬材料表面的塑性變形。此外，由于激光光斑的能量分布進金屬材料表面也具有很大的差異性，金屬材料激光沖擊區(qū)的硬度有著明顯的上升，綜合而言，金屬材料的平均硬度提高了40%以上。

3 對晶粒的影響

對金屬材料激光沖擊前后的金相圖片的對比，透過光學顯微鏡進行觀察之后可以得出以下結論：金屬材料使用激光沖擊強化處理后，表層晶體的尺寸相比較于未處理之前，明顯變小，因而我們可以看出，激光沖擊處理能夠實現(xiàn)金屬材料晶體的細化，抑制疲勞裂紋的產生，提高疲勞壽命[5]。

4 對疲勞壽命的影響

對金屬材料展開激光沖擊處理時，激光沖擊參數(shù)如下：單脈沖平均能量為16.5J，激光脈沖寬度為30ns，光斑直徑為7mm，平均功率密度為1.45GW/cm2，所產生的沖擊波峰壓大約為1.95GPa，且經(jīng)過相關的檢驗可發(fā)現(xiàn)，在金屬材料的沖擊區(qū)已經(jīng)形成了標記緊密的光亮圈，且表面粗糙程度遠低于未受沖擊的區(qū)域，且出現(xiàn)了略微的凹陷，深度為10μm～20μm之間。出現(xiàn)凹陷的主要原因是金屬材料塑性變形的結果。

使用對比法對金屬材料疲勞試驗數(shù)據(jù)可以得出，金屬材料在使用激光沖擊處理之后，疲勞壽命實現(xiàn)了穩(wěn)定的增長，是未受激光沖擊強化試驗金屬材料的5倍～15倍左右。

5 結語

相比較于傳統(tǒng)金屬材料機械性能改善技術，激光終極主要采用的是通過對高功率密度短脈沖強激光沖擊金屬表面，實現(xiàn)金屬表面涂層的汽化和電離對金屬材料內部形成強壓縮沖擊波，對金屬材料表層進行塑性變形，最終實現(xiàn)強化。因而激光沖擊之后的金屬材料，無論是強度、硬度、還是疲勞壽命而言，都有著極大的改善。因而可以說，在金屬材料機械性能的處理過程當中，激光沖擊是一種最為有效，且最為使用的改善方式。本文主要從三個方面對于基于激光沖擊的金屬材料機械性能研究及影響分析展開了探究，可供相關人士參考。