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激光冲击强化研究现状与展望 高玉魁，蒋聪盈 ( 同济大学航空航天与力学学院，上海2 0 0 0 8 2 ) 【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，。6 - 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。 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 D O I ：1 0 1 6 0 8 0 8 i s s n l 6 7 1 - 8 3 3 x 2 0 1 6 0 4 0 1 6 高玉魁 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5 0 余篇，出版专著1 部。 激光冲击强化( L a s e rS h o c k P e e n i n g ，L S P ) 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 1 6 航空制造技术2 0 1 6 年第4 期 粗糙度，提高表面硬度，改善组织结 构等效果。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 2 0 世纪6 0 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 产生塑陛变形回。1 9 7 2 年，美国科学 家F a i r a n d 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7 0 7 5 铝合金抗疲劳性 能和抗应力腐蚀性能 3 1 01 9 7 3 1 9 8 1 年，美国B a t t e l l e 学院C l a u e r 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。 1 9 8 7 年以来，以F a b b r o 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 的估算公式陋】。1 9 9 9 年，B r a i s t e d 和 B r o c k m a n 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1 9 9 6 年研制成功，但该设备只 能用来单次冲击，且可靠性不高o ”。 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 o2 0 0 9 年，胡永祥教 授研究激光冲击光斑形状的影响 1 0 1 。 2 0 1 2 年，L U O 研究了光斑搭接率对 残余应力场分布的影响 1 ”。 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l O O n s 内发射出1 1 0 0 J 的激 光束，这使得激光的能量密度可以达 到k W 量级【12 1 。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， 万方数据 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。 毁圮c 扯 恻蛾 掌离刊 图1 激光冲击原理示意图 S c h e m a t i co fl a s e rs h o c kp e e n i n g 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n s 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， F a b b r 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”3 1 ： 厂- 一一 P - o 0 1 i 苦z 讥， 式中，P 表示冲击波产生的表面压强 最大值；2 a 表示等离子体冲击波的 能量转换效率，由吸收层材料决定； 厶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： 21 1 Z z o 。r l a y 。Z 阻喀。 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【l4 1 。当峰值压力超过 H u g o n i o t 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。H u g o n i o t 弹性极限计算 公式如下： 1 H E L = 矿D ，罢， l 一二V 式中，Z 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。F a b b r o 等在1 9 9 0 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，并将压力一时间分布和激光 脉宽联系起来，如图2 所示 1 5 1 。O r o s 在2 0 0 2 年研究了多种材料在激光冲 击下的压力一时间演化曲线，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 1 6 1 。 图2 激光冲击压力一时间演化图 F i g 2T e m p o r a le v o l u t i o no fs h o c kw a v e p r e s s u r e 3 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 1 7 1 。 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1 3 6 ，而 方形光斑只需要略高于1 0 0 ，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 1 S l 。 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。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”9 1 。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： 2 ds i n 0 = n l 。 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 2 0 1 6 年第4 期航空制造技术1 7 万方数据 专稿F E 删R E 维线辆 图3X 衍射残余应力测试仪 值： = 南( 盏) o 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： 吼= 一南面而1 丽1 C 。( 0 ) = 告 ( s 口一晶+ 。) + ( s 一。一岛一。) 】。 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 图4X 衍射二维面探得到的德拜环 F i g 4D e b y er i n gu s i n gX r a y 2 - d i m e n s i o nd e t e c t o r 1 8 航空制造技术2 0 1 6 年第4 期 化后的铝合金表层残余应力沿深度 的分布 2 0 o 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2 m m ，而传统的喷丸强化 引起的残余压应力深度一般不超过 0 5 m m 。残余应力深度较深是。 激光冲击强化优于传统喷丸卅， 的主要方面，较深的残余应力_ 1 ( 1 f 1 层意味着更强的抗疲劳性能。蛊一1 5 0 激光冲击强化、喷丸强化；一2 0 0 以及未经表面处理的铝合金攉一2 5 ( ) 材料的5 一，如图6 所示2 ”。鼷一3 ( 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 纹的扩展速率阱1 ，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l m m 的初始裂纹，但是在激光冲 击强化后此裂纹不会扩展至 2 r a m 以上【2 。 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 - 3 5 0 - 4 0 0 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 1 0 6 。S1 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，失效抗力提高。 Z H A N GY 等发现激光冲击强化 可以细化镁合金的晶粒，实现M g 合 余的表而纳米化如图8 所示随着 o5 0 01 0 0 01 5 ( ) 02 0 0 ( 深度u 1 1 1 图5 激光冲击后残余压应力场沿深度分布 F i g 5 D i s t r i b u t i o no fc o m p r e s s i v er e s i d u a ls t r e s s f i e l dc a u s e db yl a s e rs h o tp e