激光冲击强化研究现状与展望

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1、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200082)【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DOI：10．160808．issnl671-833x．2016．04．016高玉魁博士。同济大学航空航天与力学学院教授

2、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(LaserShockPeening，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16航空制造技术·2016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

3、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陛变形回。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[3101973—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Ⅲ。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

4、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】。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]o2009年，胡永祥教授研究激光冲击光斑形状的影响[101。2012年，LUO研究了光斑搭接率对残余应力场分布的

5、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lOOns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【121。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，

6、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Schematicoflasershockpeening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，Fabb

7、ro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”31：厂—-一一P-o．01√i苦√z讥，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；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：21．1Zzo。rlay。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【l41。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

8、残余压应力。Hugoniot弹性极限计算公式如下：1．HEL=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。Fabbro等在1990年测试了没有约束层的激光冲击强化