激光等离子体冲击强化研究进展

湖北工业大学 付宏涛

激光等离子体冲击强化研究进展

湖北工业大学 付宏涛

本文综述了激光冲击强化技术的机理和模型，分析了激光冲击强化的技术特点和影响因素，论述了激光冲击强化在生产中的运用，并且探讨激光冲击强化与激光冲击成形、激光喷丸成形之间的区别，展望了激光冲击强化技术的应用前景。

激光冲击强化；表面改性；应用

0 引言

近年来，激光等离子体冲击强化研究进展十分迅速。和其它表面强化技术相比较，激光冲击强化技术具有如下鲜明特点：（1）高压，冲击波的压力达到数GPa，乃至TPa量级，这是常规的机械加工难以达到的；（2）高能，激光束单脉冲能量达到几十焦耳，峰值功率达到GW量级，在10～20n s内将光能转变成冲击波机械能，实现了能量的高效利用。并且由于激光器的重复频率只需几H z以下，整个激光冲击系统的负荷仅仅30kW左右，是低能耗的加工方式；（3）超高应变率，冲击波作用时间仅仅几十纳秒。这使得激光等离子体冲击强化技术本身具备极大的研究价值。激光冲击强化与其它冲击波作用于工件的激光冲击成形和激光喷丸技术都是利用激光诱导的，激光冲击波是它们的工作之源。它们之间既有联系又有区别：（1）激光冲击成形是在激光冲击强化研究基础上发展起来的。激光冲击强化是以提高工件表面质量为目标，同时在工件表面产生残余应力，防止板料发生翘曲等宏观变形。而激光冲击成形是为了实现板料的塑性变形，尽管冲击后冲击区表面的粗糙度降低，但这只是附带结果，并不是最终目的；（2）激光喷丸成形是在激光冲击强化和机械喷丸的基础上发展而来的，它与冲击强化的主要区别是最终目的不同。喷丸成形的目的是要求得到一定分布的应力场，从而实现板料的宏观变形；而冲击强化的目的是在提高工件表面质量的同时还要防止板料发生翘曲等宏观变形。

1 研究历史

早在20世纪60年代人们就发现了激光脉冲可以产生冲击波，研究表明，随着冲击波持续作用，可以在金属表层产生压应力，其值远远高于材料屈服强度。随后美国和法国都先后利用激光冲击波效应对材料进行表面改性，以取代传统的喷丸和深滚压技术，这就是激光冲击强化技术 。激光冲击强化技术最初开发于20世纪70年代初的美国贝尔实验室，我国著名物理学家钱临照教授早在60年代也提出过这方面的思想。1972年，美国巴特尔学院（Battelle Memorial Institute）的 Fairand B.P.等人首次用高功率脉冲激光诱导的冲击波来改变7075铝合金的显微结构组织以提高其机械性能，从此揭开了用激光冲击强化应用研究的序幕。1978年秋，该实验室的Ford S.C等人与美国空军实验室联合，进行激光冲击改善紧固件疲劳寿命的研究，结果表明激光冲击强化可大幅度提高紧固件的疲劳寿命。当时由于缺少可靠的、高脉冲频率的大功率激光器而未能实用化。

进入21世纪之后，激光冲击强化技术的应用取得了长足的进展。美国空军为提高激光冲击强化生产效率做出了很大的努力，设置了4个重要的制造技术计划（Air Force Manufacturing Technology Programs），取得了许多重要进展，解决了提高激光冲击强化生产效率和可移动式生产等工业应用问题，极大地促进了激光等离子体研究的迅速发展。

2 激光等离子体冲击波机理

当激光辐照到靶材表面时，由于材料表面对激光的吸收作用，使得表面温度升高。当表面温度达到材料的熔点时，将发生熔融现象。激光对材料持续作用，材料表面温度不断升高，当材料表面温度达到汽化温度时，表面将发生汽化烧蚀现象。如果蒸汽粒子继续吸收激光能量，蒸汽温度继续升高，最后将导致蒸汽分子电离，形成一种高温高压的等离子体。该等离子体吸收后续激光能量对外膨胀爆炸，从而形成冲击波。根据激光形式不同和激光功率密度的不同，激光冲击波的压力峰值范围从pa到Tpa，折算到每平方微米范围内，冲击力范围可从P N到N，冲击波作用时间可以从飞秒到毫秒量级。形成冲击波的方法可以分为两类：非约束型和约束型。非约束型是指让等离子体不受外界约束自由向四周膨胀。而约束型是在成形工件和工件表面增加透明约束层 （如：流水、K 9玻璃），抑制爆炸产生的等离子层向外扩散，使之产生的冲击波全部作用于工件，提高冲击波的压力（一般可提高10倍）。

3 激光冲击强化

激光冲击强化技术是高功率密度（GW／cm2）、短脉冲（ns）的激光束与物质相互作用产生的强冲击波来改变材料表面物理及机械性能的技术。在激光冲击波产生后迅速膨胀的等离子体被限制在金属表面和约束层之间，产生一个向试样内部传播的强冲击压缩波σ1。该冲击压缩波对靶材正面产生强化作用。

激光冲击强化类似于弹丸喷丸 ，只是把弹丸换作激光脉冲。激光冲击强化使表层产生微小的塑性拉伸变形，强化后材料弹性恢复产生残余压应力。研究表明，激光冲击强化铝合金后，大小约为材料屈服强度70%～80%的残余压应力可以深入材料表层1～2mm，因此材料的耐疲劳强度和寿命远远高于机械喷丸和深滚压技术。与传统的机械处理方法相比，激光冲击强化后粗糙度远远低于机械喷丸；铝合金紧固件的磨损疲劳强度可以提高2倍 ；激光冲击强化后 ，板料产生密集、均匀以及稳定的位错结构，位错密度增高，使材料屈服强度提高，并阻碍了位错的运动，增大了裂纹产生的阻力，不锈钢的应力腐蚀开裂问题可以通过激光冲击强化处理 ，且奥氏体钢比马氏体钢效果更明显；残余压应力使试样表层产生硬化 ，距离试样表层越远 ，硬化程度越小。激光冲击强化后，材料的微观组织得到改善，耐腐蚀性能和疲劳强度提高，有效地改善了材料的综合机械性能。

4 激光冲击强化模型

激光冲击强化模型包括冲击波压力模型 、残余应力模型以及应力－应变输出模型。冲击波压力模型有很多，他们都认为激光辐射均匀 ，所以冲击波在约束介质和靶材中的传播是一维的，如 Morals在激光冲击强化中采用一维压力近似估算公式及计算冲击波压力。为了提高估算模型精度Zhang考虑了等离子体内能和等离子体膨胀半径的影响 ，提出了新的冲击压力估算模型。

对残余应力的分析大多采用有限元方法，Braisted首次引入有限元方法计算激光冲击强化残余应力，随后提出了轴对称模型用以计算激光喷丸产生的残余应力，在模型中综合考虑了压力衰减、材料弹塑性以及材料冲击屈服强度曲线，此模型与12C r钢和7075－T 7351铝合金的试验结果符合良好.H u等人采用简化模型模拟重叠冲击强化的残余应力场分布。Morales等人提出了残余应力优化系统，将残余应力场与激光参数之间形成定量关系，以其达到最佳强化效果。

在激光冲击强化中，冲击波压力是随着时间变化的幅值，应变率很高，可达106s－1，所以在模型中引入以下假设：材料是理想弹塑性体，所有的塑性变形发生在统一应变率下。在计算激光冲击强化应力时有必要引入温度场的影响，同时温度场对表层能量吸收率有影响，Thorslund等人提出考虑激光辐射和温度在工件上分布的温度模型，与实际辐射量相比，辐射率对材料温度的影响

更大。

5 激光冲击强化的影响因素

激光冲击强化技术可以大大提高材料的疲劳性能和耐磨性能，并且成功用于航空航天、核工业等领域。目前国内外研究人员越来越多地关注激光冲击强化技术的基础理论与基础工艺研究。激光冲击强化效果的影响因素主要有激光参数、能量吸收层和约束层、材料等。

5.1 激光参数

5.1.1 激光功率密度

Fabbro等人提出了冲击波峰值压力与激光功率密度之间的关系

P＝A［（α／2α＋3）Z I］1／2

式中，A－常量；Z－材料和约束层的冲击波阻抗；I－激光功率密度；

从式中看出，在材料和约束层一定的情况下，激光功率密度越大，冲击波的峰值压力越大。Z h o u等人也在最近对等离子研究中发现，激光功率密度与产生等离子体宽度存在着非线性增长关系。

5.1.2 激光脉冲

激光脉宽的大小对金属材料的冲击强化效果至关重要。激光冲击强化后的塑性变形层深度、表面残余压应力均与激光脉宽有关，采用较大的激光脉冲宽度可获得较好的强化效果。然而过大的激光脉冲宽度极易造成金属材料表面的热损伤，降低激光冲击处理的效果。

5.2 能量吸收层和约束层

能量吸收层产生等离子体，约束层延长等离子体的喷射时间，增加了冲击压力和作用时间。

5.2.1 能量吸收层

能量吸收层（如黑漆、铝箔）对强化效果的影响基本可以归结为，它与靶材的热物性行为之间的差别，这种差别使等离子体产生膨胀、爆炸成为可能，所以在有涂层时，激光冲击波的形成实际上取决于涂层与激光之间的作用。Zhang等人采用改进的黑漆涂层进行激光连续冲击，发现其防护效果和抗剥离能力效果明显。

5.2.2 约束层

约束层对冲击强化效果的影响比较明显，延长了等离子体的喷射时间，增加了冲击压力和冲击时间。约束层主要采用K 9光学玻璃、有机玻璃、硅胶、合成树脂和水等。玻璃类约束层对冲击压力提升效果最明显，但仅适用于平面加工，且易碎，难于清理；硅胶和合成树脂与靶材结合力小 ，且难以重复利用；水约束层的优点是廉价、清洁、重复效果好，可用于加工曲面，而且流动的水约束层可以带走等离子体爆炸后的固体粉尘颗粒，这些优势是其他所有约束介质无法取代的。Zhang等人发现分别采用黑漆和水作为吸收层和约束层会起到更好的冲击效果。同时采用水作为约束层存在缺点：刚性差异导致约束效果不及玻璃；高功率下易产生击穿等离子体；高冲击频率下，水层飞溅，光路上的水珠和水雾对激光形成散射。在使用水作为约束层时，采用行之有效的工艺方法，准确控制约束层厚度，保证水流均匀，以避免冲击处有水波纹等仍是今后研究的重点。

5.3 材料

材料的不同，冲击强化的效果也随着不同，陈等人对3种不同材料进行激光冲击强化处理，发现其硬度和耐磨性都得到显著提高，但提高程度不同。

6 激光冲击强化应用研究

激光冲击强化是利用强激光诱导的高达数G帕的冲击波压力使材料表层发生微观塑性变形，形成残余压应力层，从而有效地改善了金属材料的机械性能，特别能大幅度提高材料的疲劳寿命、抗应力腐蚀性能。具有如下的特点：（1）高压、高应变率。冲击波峰压力达到数万个大气压 ；应变率达到107s－1，比喷丸强化高出万倍，比爆炸高出百倍。（2）超快。塑性变形时间仅仅几十纳秒。（3）无机械和热应力损伤。激光冲击强化后的金属表面不产生畸变和机械损伤，而且激光脉冲短，只有几十纳秒，瞬间完成与冲击过程，且大部分能量被能量吸收层吸收，传到金属表面的热量很少，所以无热应力损伤。

1972年,美国巴特尔学院(Battelle Memorial Institute)的Fairand B.P.等人首次用高功率脉冲激光诱导的冲击波来改变7075铝合金的显微结构组织以提高其机械性能,从此揭开了用激光冲击强化应用研究的序幕｡1978年秋,该实验室的Ford S.C等人与美国空军实验室联合,进行激光冲击改善紧固件疲劳寿命的研究,结果表明激光冲击强化可大幅度提高紧固件的疲劳寿命｡当时由于缺少可靠的､高脉冲频率的大功率激光器而未能实用化｡20世纪80年代后期,欧洲､日本､以色列等国家和地区纷纷开展了激光冲击强化技术研究｡但从公开报道的资料看,到目前为止,国际上还只有美国将激光冲击强化实际应用｡20世纪90年代在美国高频疲劳研究国家计划等支持下,美国利佛莫尔国家实验室和GE､MIC公司等联合深入开展了激光冲击强化技术的理论､工艺和设备的研究,使激光冲击强化技术获得了很大发展,逐步走向了实用,用于F110､F101､F414等发动机的生产和修理｡其中,F110､F101发动机在使用中发生多次风扇叶片故障,迫使F101每飞25小时和F110每天第一次飞行前要做一次能够发现0.127mm裂纹的精细检查,采用激光冲击强化解决了这一问题｡进入21世纪之后,激光冲击强化技术的应用取得了长足的进展｡美国空军为提高激光冲击强化生产效率作出了很大的努力,设置了4个重要的制造技术计划(Air Force Manufacturing Technology Programs),取得了许多重要进展,解决了提高激光冲击强化生产效率和可移动式生产等工业应用问题｡2002年以来,美国已将激光冲击强化大规模用于航空部件的制造和修理中,例如,美国MIC公司将激光冲击强化技术用于军民用喷气发动机叶片以改善其疲劳寿命,不但提高了飞机发动机的安全可靠性,而且每月可节约飞机保养费几百万美元､节约零件更换费几百万美元｡美国预计仅仅战斗机发动机叶片的处理,就能节约成本超过10亿美元｡2003年,美联邦航空局(FAA)和日本亚细亚航空(JAA)将激光冲击强化批准为飞机关键件维修技术,当年这项技术即被用于波音777飞机的零部件处理｡2004年,美国激光冲击技术公司(LSP Technologies,Inc.,LSPT)与美国空军实验室开展了F/A-22上F119发动机钛合金损伤叶片激光冲击强化修复研究,对具有微裂纹､疲劳强度不够的损伤叶片,经过激光冲击处理后,疲劳强度为413.7MPa,完全满足叶片使用的设计要求379MPa,取得了巨大成功｡此外,对叶片楔形根部进行激光冲击处理后,其微动疲劳寿命至少提高25倍以上｡目前,激光冲击强化技术已大量用于F119-PW-100发动机整体叶盘等部件的生产｡LSP公司还提出了对飞机蒙皮铆接结构强化的专利,应用可移动激光设备在飞机装配现场对铆接后的铆钉及其周围强化,效果明显｡从2005年开始美国又将激光冲击强化逐步扩大到大型汽轮机､水轮机叶片以及石油管道､汽车关键零部件等的处理｡据报道仅石油管道焊缝的处理就能达到10亿美元以上的收益｡

7 结论

结合目前激光冲击成形研究和应用现状，认为激光冲击强化技术要进入大规模的工程应用，尚需在以下几个方面进行深入的研究：（1）一些激光冲击强化理论仍需明确，主要是强化的第一阶段，高能量激光作用（能量吸收层 、约束层 、激光光斑 、重叠激光脉冲和热作用对强化效果的影响等等 ）。（2）由于在激光冲击强化过程中，很难把握激光冲击波与金属靶材的作用进程，急需一种能够在线监测和控制强化过程的没备。（3）目前既能够达到工业需求（如高激光能量 、短脉冲 、高重复频率 ），又能满足经济承受能力的激光器还很少。

2012－01－07）