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激光冲击强化研究现状与展望高玉魁;蒋聪盈 【摘要】激光冲击强化是一种新型的表面改性技术相比于传统的喷丸强化技术有 诸多突出优势.对激光冲击强化技术原理进行分析，总结激光冲击强化技术的各个工 艺参数，并对激光冲击强化后材料表层性能变化进行阐述.讨论激光冲击强化技术的 发展与现状，并对该技术在未来的运用进行展望.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷)，期】2016(000)004【总页数】5页(P16-20) 【关键词】激光冲击强化;残余应力;表层改性技术;延寿;表面完整性 【作者】高玉魁;蒋聪盈【作者单位】同济大学航空航天与力学学院，上海200082;同济大学航空航天与力学学院，上海200082【正文语种】中文博士，同济大学航空航天与力学学院教授和博士生导师，主要从事航空航天先进材 料与制造技术、表面完整性和结构完整性、残余应力、表层改性等研究，发表学术 论文50余篇，出版专著1部激光冲击强化(Laser Shock Peening , LSP )是一种利用短脉冲激光束对材料表 面进行改性，提高材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀性能的技术激光冲击强化可以 同时做到在材料表面产生残余压应力，降低表面粗糙度，提高表面硬度，改善组织 结构等效果［1］。

相比于传统的喷丸强化，激光冲击强化具有非接触、无热影响区 和强化效果突出等特点同时，激光冲击强化不会破坏材料表面完整性且产生的残 余应力场深度较深激光冲击强化的发展可以追溯到20世纪60年代，当时科学家发现，激光可以产 生冲击波，从而使材料表面产生塑性变形［2］1972年美国科学家Fairand等研 究了激光冲击后材料表层的微观结构变化和位错，提出激光冲击可提高7075铝合 金抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能［3］1973 ~ 1981年美国Battelle学院Clauer 等研究了激光冲击的工业运用，提出用激光冲击强化来替代传统的喷丸强化［4］1987年以来，以Fabbro为首的法国科学家在法国汽车工业的支持下对激光冲击 强化技术进行了系统性的研究，探索了激光冲击产生冲击波的机理和模型、激光冲 击后材料性能的变化等，提出了冲击波峰值和压力的估算公式［5］1999年， Braisted 和 Brockman首次使用数值模拟的方法来对激光冲击强化进行分析，并用 试验方法验证了模拟的有效性［6］我国对激光冲击技术研究和应用起步较晚，国内首台大功率激光装置在1996年研 制成功，但该设备只能用来单次冲击，且可靠性不高［7］。

张永康教授等对激光冲 击强化进行了一系列理论分析，研究了涂层约束层的影响等［8-9］2009年，胡永 祥教授研究激光冲击光斑形状的影响［10］2012年，LU研究了光斑搭接率对残 余应力场分布的影响［11］激光冲击强化原理激光冲击强化原理如图1所示，高能激光束穿过材料表面的约束层照射到材料的 吸收层上激光发射器能在100ns内发射出1 ~ 100J的激光束，这使得激光的能 量密度可以达到kW量级［12］吸收层材料在吸收大量的激光能量后，会产生高压 等离子体由于约束层的存在，等离子体会冲击材料表层，产生应力波，从而使材 料表层产生向两侧的塑性应变当冲击结束后，由于材料内部力的自平衡作用，材 料表层会形成残余的压应力激光冲击强化是一个高应变率的动力学冲击过程同时，由于吸收层的存在，激光 不会烧伤材料表面，也不会在材料表面产生高温，因此激光冲击强化属于冷加工 图 1 激光冲击原理示意图 Fig.1 Schematic of laser shock peening 激光冲击强化工艺影响参数激光冲击强化是一个复杂的加工过程，涉及到物理、力学、材料学等多个学科激 光功率密度、光斑形状和大小、光斑叠加率、吸收层和约束层的材料等都会影响强 化的效果。

1峰值压力激光冲击强化是一个瞬时过程，一般在几十ns内完成，因此无法对激光束冲击靶 材所产生压力进行准确测试和计算目前常用的方法就是将等离子体产生的冲击波 以一个均布压力场的形式进行表达为了对冲击波产生的压强大小进行估算， Fabbr o等进行了一系列的试验和理论推导，提出了靶材表面冲击波峰值压力估算 公式［13］：式中，P表示冲击波产生的表面压强最大值；2a表示等离子体冲击波的能量转换 效率，由吸收层材料决定；I0表示激光冲击的功率密度；Z表示约束层和靶材材 料的总阻抗，由约束层阻抗和靶材阻抗一起决定，公式如下：峰值压力估算公式建立了激光冲击功率密度和峰值压力的关系，可以通过公式估算 激光冲击强化的峰值压力［14］当峰值压力超过Hugoniot弹性极限时，材料表层 即发生塑性应变，从而引起材料表层的残余压应力Hugoniot弹性极限计算公式 如下： 式中，oDY表示材料的动态屈服强度2压力时间分布激光冲击强化过程中压力并不是常值，而会随时发生变化Fabbro等在1990年 测试了没有约束层的激光冲击强化过程中压力的时间演化规律，并将压力-时间分 布和激光脉宽联系起来，如图2所示［15］。

Oros在2002年研究了多种材料在激 光冲击下的压力-时间演化曲线，并提出压力时间演化曲线和约束层有关，约束层 可以同时提高峰值压力值以及峰值压力的持续时间［16］图2激光冲击压力-时间演化图Fig.2 Temporal evolution of shock wave pressure3光斑形状与叠加率在激光冲击强化过程中，光斑的形状是可控的，常见的光斑有方形和圆形，光斑形 状的不同会影响激光冲击后残余应力的分布圆形光斑激光冲击引起的残余应力是 各向同性的，而方形光斑在各个方向上的残余应力不同研究表明，圆形光斑更容易引起〃残余应力洞”现象，使得强化中心残余应力缺失， 降低强化效果［17］由于单次激光冲击范围有限，为了完整处理零件的表面，有必要对激光冲击进行搭 接为保证残余应力在材料表层的均匀性，必须保证光斑在材料表层的全覆盖圆 形光斑正方形阵列形式强化时需要覆盖率136%,而方形光斑只需要略高于100 % , 而且方形光斑搭接强化后材料表面的粗糙度比圆形光斑更有优势［18］激光冲击强化工艺和效果材料的腐蚀、磨损和疲劳断裂等失效事故常常起源于表面，因此材料的表层状态对 材料的性能有重要影响［1］。

激光冲击强化会从多个方面对材料表层性质产生有利 影响激光冲击强化后的材料除了在表层有残余压应力外，材料表层的组织结构和 硬度也会发生变化1残余应力与抗疲劳性能疲劳裂纹通常从材料的表面萌生，而表层的残余压应力可以抑制裂纹的扩展，从而 达到延长材料寿命甚至止裂效果［19］因此，残余压应力场的深度和数值大小常被 用来评估表层改性后材料的抗疲劳性能常见的残余应力的定量测量方法有X射线衍射法，中子衍射法，钻孔法等其中 X衍射法因其不损伤材料表面，穿透层较浅，测试技术成熟有效而被广泛运用，美 国汽车学会和日本材料学会都把X射线衍射法作为测量材料应力的标准使用X 射线衍射法的工作原理是根据X射线与材料晶体点阵结构发生衍射，通过度量晶 体点阵的应变来测定残余应力X衍射的布拉格方程反映了晶体衍射面间距与衍射 角之间的关系：目前，常用的X射线衍射残余应力分析方法有一维线探法和二维面探法，图3中 的两台装置就是基于这两种原理的X衍射残余应力测试仪传统的X射线衍射法采用一维探测器，通过改变测试角，对固定点进行多次曝光， 最后对测试结果进行数据拟合，计算出0方向上的应力值：图 3 X 衍射残余应力测试仪 Fig.3 X-ray residual stress testing instrument 近年来开发的二维面探X射线衍射法采用二维探测器，固定测试角，对固定点进 行单次曝光，得到完整的德拜环，如图4所示，最后分析德拜环上不同的衍射角 峰值变化，根据公式得到方向上的应力值：图 4 X 衍射二维面探得到的德拜环 Fig.4 Debye ring using X-ray 2-dimension detector二维面探得到的完整德拜环，不仅可以进行应力的计算分析，而且可以反映物质的 一些微观特征，如晶体特征以及晶粒取向等。

图5中显示了 X射线衍射法测得的 激光处理强化后的铝合金表层残余应力沿深度的分布［20］随着冲击次数的增加， 残余压应力深度也会增加冲击次数超过两次后，材料表层残余压应力深度超过 2mm，而传统的喷丸强化引起的残余压应力深度一般不超过0.5mm残余应力深 度较深是激光冲击强化优于传统喷丸的主要方面，较深的残余应力层意味着更强的 抗疲劳性能激光冲击强化、喷丸强化以及未经表面处理的铝合金材料的S-N，如图6所示［21］ 喷丸强化以及激光冲击强化都可以提高铝合金材料的疲劳极限和疲劳寿命，而且激 光冲击强化比喷丸强化效果更佳对包含初始裂纹的材料，激光冲击强化也可以降 低裂纹的扩展速率［22］，这使得激光冲击强化在零件的维修和再制造方面有着巨大 的潜能图7比较了激光冲击强化前后裂纹的扩展速率，从图7中可以看到，虽 然材料有1mm的初始裂纹，但是在激光冲击强化后此裂纹不会扩展至2mm以上 ［22］2表面粗糙度，微观组织与屈服强度变化在单个光斑的激光冲击强化下，材料表面的粗糙度会减小，这对材料强化是有利的 当材料需要多个小光斑的叠加强化时，材料表面的粗糙度会增加，这与光斑的形状 以及叠加率有关对于多个光斑的叠加来说，方形光斑比圆形光斑对减小表面粗糙 度更有优势。

激光冲击强化不同于常规的喷丸强化等方式，在等离子体的高压冲击下，材料表面 的应变率可以达到106s-1以上，在这个超高的应变率下，材料表层位错密度增加， 组织结构发生改变，形成多种强化的亚细结构，从而提高了表面强化层的失效抗力同时激光冲击强化会使材料表层形变产生硬化，表面层的屈服强度提高，失效抗力坦言提高ZHANG Y等发现激光冲击强化可以细化镁合金的晶粒，实现Mg合金的表面纳米化，如图8所示随着激光冲击次数的增加，Mg合金的晶粒会不断细化［23］ CHE Zhigang等发现了激光冲击强化后TC4钛合金材料的自纳米效应［24］图5激光冲击后残余压应力场沿深度分布Fig.5 Distribution of compressive residual stress field caused by laser shot peening图6喷丸、激光冲击强化和未处理的铝合金S-N曲线Fig.6 S-N curve of SP, LSP and untreated Al alloy图 7 激光冲击前后钛合金 a-N 曲线 Fig.7 Crack length (a) vs. cycles (N) curves before and after LSP for Ti alloy激光冲击强化的数值模拟激光冲击强化过程复杂，影响因素多，因此激光冲击强化的定量分析一般都会借助 于数值方法来完成。

在确定了激光冲击过程的压力时间曲线后，就可以通过有限元 软件来进行激光冲击模拟激光冲击强化的ABAQUS有限元模型，为了提高计算效率，建立了激光冲击的 1/4模型为了消除冲击波在边界上的反射，在有限元网格周围包围上一圈无限元 网格，在冲击的对称面，建立对称边界条件，红色区域为激光冲击区域建立有限元模型后，输入激光冲击强化的压力-时间曲线，并输入材料的弹塑性本 构方程，就能用ABAQUS/Explicit对激光冲击过程进行模拟在模拟结束后，采 用ABAQUS/Standard进行回弹分析，回弹结束后就能模拟得到残余应力延材料 各个方向的分布图9展示了不同压力峰值下高温镍基合金GH4169激光冲击强 化后残余应力沿深度方向的分布激光冲击强化的工程应用虽然激光冲击强化的理论研究已有50多年，但是其工程应用是从20世纪90年。