铝合金低能激光喷丸强化技术及其研究进展

肖静怡，胡宇佳

铝合金低能激光喷丸强化技术及其研究进展

肖静怡，胡宇佳

（航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司，陕西 西安 710089）

无吸收层低能激光喷丸强化（LSPwC）是基于激光喷丸强化技术（LSP）发展出的一种新型表面处理技术，可以有效提高材料疲劳强度、疲劳寿命和抗应力腐蚀能力，且由于LSPwC采用低能激光，不需要吸收层涂覆，比LSP成本更低。介绍了LSPwC技术的原理，探讨了其优缺点及可行性，着重介绍了LSPwC在铝合金方面的研究进展。

LSP；LSPwC；激光脉宽；冲击波波峰

1 引言

激光喷丸强化（LSP）是金属表面处理的最新工艺方法之一，可以有效提高材料疲劳强度、疲劳寿命和抗应力腐蚀能力。而铝合金由于具有较高的比强度、比模量和良好的可焊性，是现阶段航空产业中应用最广泛的材料。目前高能激光喷丸强化技术在航空铝合金上的应用已经广泛开展，并取得显著成果[1-2]。但由于对激光器要求较高且生产成本较高，并没有得到广泛应用。

与此同时，无需吸收层的低能激光喷丸技术（LSPwC）在铝合金上的研究仍极为有限。对比高能激光喷丸，LSPwC使用基础频率的低能激光，且不需要对零件表面进行吸收层涂覆处理，极大降低了生产成本和使用门槛。因此，研究铝合金的无吸收层低能激光喷丸强化技术，对航空制造行业具有重要意义。

2 概述

1961年，MICHAELS提出了脉冲激光辐照在材料表面能产生一定强度的冲击波[3]，在材料表面涂覆一层不透明的吸收层，并在吸收层之上涂覆约束层，高能脉冲激光通过透明约束层辐照吸收层之上，使其迅速汽化产生高压等离子云，利用等离子爆炸产生的冲击波在零件表面产生压缩应力层。吸收层的主要作用是避免激光直接接触零件表面形成烧蚀、提供等离子体并增加激光吸收能量，约束层的主要作用是限制等离子的膨胀，增加冲击波的波峰峰值和脉冲宽度。研究表明，当激光器的能量密度达到5～10 GW/cm2时，就可以提供峰值足够高的冲击波，使其达到材料的Hugonoit弹性极限，从而产生压缩应力层和塑性变形[4]。

2006年，SANO等人[4]提出，使用双频激光器Nd：YAG的无需吸收层的低能激光喷丸技术[3]，在产生更少的热量的同时产生足够强的高压等离子云，从而避免了激光烧蚀过程中表面极端状况的发生。除此之外，低能激光喷丸强化有望改善脉冲激光的重叠状况。在高能激光烧蚀情况下，吸收涂层用来避免零件表面的融化和再凝固。高能激光存在脉冲重叠的情况，吸收层会在第一轮冲击时汽化，因此很难避免零件表面的融化。这一现状可以通过设定最佳的参数的LSPwC技术解决。通常来讲，小于1 J的激光就称为低能激光，但即使激光能量达到3 J并产生2～3次谐波，也可以在合理的成本内产生较好的激光喷丸结果。

在LSPwC使用直接烧蚀方式的情况下，冲击波峰值压力与激光的脉宽息息相关。根据FABBRO等人的研究[5]，在约束情况下，冲击压力持续时间增加3～4倍。因此，可以使用较短的脉冲宽度获得较大的冲击峰值。通常使用Nd：YAG激光器进行无吸附层的低能喷丸强化时，使用脉宽10 ns的脉冲激光。影响冲击波峰值的另一个因素是即时脉冲波形，一般来说，短时上升脉冲（SRT）比Gaussian脉冲能产生更大的冲击波峰值[2]。此外，激光波长也是一个影响因素，通常LSPwC的第二和第三谐振波波长更大。残余应力分布的激光点形状和峰值压力影响残余应力场的一致性。不同铝合金材料低能喷丸强化的基本条件如表1所示[6-7]。

表 1 不同铝合金材料低能喷丸强化的基本条件

材料激光能量/J波长/nm脉宽/ns表面残余应力/MPa 6061-T60.31 06410-276.9 2024-T3512.41 0649-405

3 研究进展

低能激光喷丸技术是在研究早期的微凹坑阵列激光喷丸时提出的。SANO等人研究了LSPwC对于搅拌摩擦焊接铝合金Al-6061-T6疲劳性能的影响[8]。弯曲疲劳测试（=﹣1）结果显示，使用了60 mJ激光能量的双频Nd：YAG激光器进行LSPwC处理后，样件疲劳寿命显著提高。在相同人员的另一项研究中，证实了LSPwC处理有效地阻止了铝合金的裂纹蔓延。研究者在使用基础波长进行的LSPwC实验中，遇到表面融化和再凝固现象，这一问题通过进一步调整激光喷丸参数得到解决。

SATHYAJITH等人使用1 064 nm基础波长的低能 （300 mJ）激光在6061-T6铝合金上进行LSPwC处理后发现[9]，残余压应力提高约190%，应力层深度达到1.2 mm，在低能激光喷丸技术上形成了重大突破。在这项低能激光喷丸强化的研究中，脉冲密度（31 pulses/mm2）对在10 ns的短脉冲条件下形成足够强的激光冲击载荷起到了至关重要的作用。激光的效应累计达到了0.6～0.9 kJ/cm2，可以和高能激光强化相提并论。这表明，可以通过调节脉冲密度产生较深的残余压缩应力层。

现阶段已可通过调节脉冲密度和冲击次数产生较深的残余压缩应力层。Uroš Trdan等人开展了LSPwC的过程模拟[10]，证明这种方法可有效地在近表层引入最大的压缩残余应力，并且可提高深层硬度。该研究使用的10 ns脉冲激光的最大能量达到1.9 J，并且使用1.5 J Nd：YAG激光进行随机LSPwC处理的模型，来减少残余应力的各项异性。

4 结论

LSPwC技术具有成本低廉，无需吸收层的优点，但由于缺少吸收层容易造成材料表面烧蚀融化，因此需要经过大量实验，对工艺参数进行优化。本文讨论了LSPwC技术在铝合金材料上的研究进展，并给出了适用不同铝合金的LSPwC工艺参数。未来，随着LSPwC技术研究的日益深入，必将在航空领域，特别是小区域复杂外形的表面强化上，得到广泛的应用。

［1］黄舒，周建忠，孙月庆，等.激光喷丸强化6061-T6铝合金板料的表面完整性研究［J］.应用激光，2011，38（6）：17-27.

［2］马壮，李应红，任旭东，等.航空铝合金激光喷丸强化研究［J］.制造技术与机床，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］Uroš Trdan，José L Ocaña，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

肖静怡（1988—），女，工学学士，工程师，工艺员，研究方向为喷丸强化、喷丸成形加工。

〔编辑：丁琳〕