劉學(xué)軍，張旖諾，吳嘉俊，胡太友，張洪瑤，李長(zhǎng)云，萬(wàn)爛軍

(1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 裝備制造技術(shù)研究室，遼寧 沈陽(yáng) 110016；2.湖南工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，株洲412007 )

激光技術(shù)被譽(yù)為現(xiàn)代制造工業(yè)的“萬(wàn)能加工工具”、“未來(lái)制造系統(tǒng)共同的加工手段”。現(xiàn)代激光工業(yè)技術(shù)的常見(jiàn)應(yīng)用如切割、焊接、激光增材制造、激光拋光等，都是利用了激光的熱效應(yīng)來(lái)進(jìn)行加工，而作為激光表面改性技術(shù)最新應(yīng)用的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，其加工過(guò)程中利用的卻是激光的力學(xué)效應(yīng)(當(dāng)材料受到激光輻射照射時(shí)產(chǎn)生的沖擊波)。激光沖擊強(qiáng)化(laser shock peeing/processing，LSP)又稱(chēng)激光噴丸，興起于20世紀(jì)70年代初，是一種新型的表面處理技術(shù)。經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化處理后，材料表面會(huì)形成一定深度影響層的殘余壓應(yīng)力，從而抑制材料疲勞裂紋的萌生和發(fā)展，顯著延長(zhǎng)材料的疲勞壽命，提高材料的抗腐蝕性和耐磨性[1-3]；適用于高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)的金屬材料表面處理。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)具有高效、環(huán)保、不會(huì)破壞靶材表面完整性等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，該技術(shù)受到廣泛重視，得到了快速發(fā)展。

金屬材料的主要失效形式是疲勞、腐蝕和磨損，而這些失效形式無(wú)一例外均開(kāi)始于材料表面，所以金屬材料表面的結(jié)構(gòu)及其綜合性能直接影響著金屬材料的綜合性能。對(duì)于具有高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的金屬材料，由于材料的抗疲勞強(qiáng)度要求高，因此激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)可以滿足材料的硬度、殘余應(yīng)力、組織損傷等“表面完整性抗疲勞制造”技術(shù)指標(biāo)，比如可以提高帶緊固孔連接件的疲勞壽命，降低孔邊的裂紋擴(kuò)展速率等[4]。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)同時(shí)是一項(xiàng)軍民兩用技術(shù)，與傳統(tǒng)表面強(qiáng)化技術(shù)相比，激光沖擊強(qiáng)化在精密航空零件材料強(qiáng)化方面有著顯著優(yōu)勢(shì)，是目前應(yīng)用最為廣泛的先進(jìn)表面改性技術(shù)[5]。近年來(lái)，隨著人們對(duì)材料服役性能的要求越來(lái)越高，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在航空航天、軌道交通、石化、兵器、海洋船舶、醫(yī)療工業(yè)等領(lǐng)域顯示了巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和擁有著廣闊的應(yīng)用前景[6]。

1 等離子體沖擊波

等離子體沖擊波是使材料表面得到強(qiáng)化的直接誘導(dǎo)因素，根據(jù)沖擊波相對(duì)于氣體傳播速度的差異，可分為燃燒波(Laser supported combustion，LSC)和爆轟波(Laser supported detonation，LSD)兩類(lèi)。而激光沖擊強(qiáng)化的過(guò)程中，等離子體誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波是爆轟波(LSD)，它以104 m/s的速度向四周傳播。爆轟波的壓力與激光功率密度和脈沖能量有關(guān)，激光的功率密度越大，脈沖能量越強(qiáng)，等離子體誘發(fā)產(chǎn)生的爆轟波的壓力也越高[7-9]。激光沖擊強(qiáng)化的作用原理主要涉及兩個(gè)方面，等離子體沖擊波的形成和沖擊波對(duì)金屬材料表面的改性。

1.1 等離子體沖擊波的形成

高能脈沖激光束穿過(guò)透明約束層后照射涂覆在金屬材料表面的吸收層，吸收層材料吸收高能能量后產(chǎn)生等離子體，同時(shí)伴隨有升溫、熔融、氣化、噴濺等現(xiàn)象，這是一種物理性質(zhì)的爆轟波。等離子體作為沖擊波能量的載體，吸收激光高能量而自持傳播。激光等離子體的一部分能量以輻射的形式耗散，由于不同波長(zhǎng)的波之間存在著傳播速度差，擾動(dòng)波陣面在穿過(guò)材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊波。

1.2 沖擊波在材料內(nèi)部的傳播和相互作用

等離子體沖擊波在一個(gè)高溫高壓的環(huán)境下產(chǎn)生，器作用時(shí)間十分短暫(為ns 量級(jí))，在這樣的高溫、高壓、極短時(shí)間的作用下材料會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的組織變化，同時(shí)在沖擊強(qiáng)化的作用過(guò)程中，沖擊波的峰值壓力遠(yuǎn)大于金屬材料發(fā)生塑性變形時(shí)的屈服極限，當(dāng)沖擊波壓力大于金屬材料彈性極限時(shí)，材料會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)響應(yīng)，形成動(dòng)態(tài)塑性變形。

2 激光沖擊強(qiáng)化基本原理

激光沖擊強(qiáng)化原理如圖1所示。

圖1 激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程原理圖[10]Fig.1 Schematic of LSP process[10]

在材料表面，有一個(gè)不透明的激光輻射吸收層，其蒸發(fā)溫度低，其上面覆蓋有透明約束層(常見(jiàn)的有K9玻璃、硅油或流水)。當(dāng)短脈沖高峰值功率密度的脈沖激光照射金屬表面時(shí)，金屬表面非透明層(吸收層)吸收激光能量后使材料在超高應(yīng)變速率下發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)[11]，在金屬表面和透明層(約束層)之間形成高溫高壓的激光誘導(dǎo)等離子體，該等離子體的分布受到約束層的限制，體積逐漸膨脹，由于存在空間限制，最終電離爆炸，產(chǎn)生高壓沖擊波，在平行于沖擊表面的平面里產(chǎn)生雙軸壓應(yīng)力場(chǎng)[12]。強(qiáng)化作用結(jié)束后，由于沖擊區(qū)域周?chē)牧系姆醋饔?，在材料表層形成密集且穩(wěn)定的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，其力學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為材料表面獲得較高的殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力可引起裂紋的閉合效應(yīng)，從而有效降低疲勞裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，延長(zhǎng)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命[13]。圖2為殘余壓力場(chǎng)形成原理。

3 激光誘導(dǎo)沖擊波的產(chǎn)生方式及沖擊效果

激光誘導(dǎo)形成等離子體沖擊波的放式有兩種，一種是“非約束型”，另一種是現(xiàn)在主要應(yīng)用的“約束型”。激光沖擊強(qiáng)化能夠產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化效果，主要得益于其約束層原理結(jié)構(gòu)。約束層原理結(jié)構(gòu)是日本科學(xué)家在20世紀(jì)90年代研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的，大大推動(dòng)了激光沖擊強(qiáng)化這項(xiàng)新型技術(shù)走向工業(yè)化應(yīng)用。

圖3為激光沖擊強(qiáng)化的兩種模型。對(duì)于“非約束型”的作用方式，激光輻照在材料表面形成的沖擊波，則不受外界的約束限制，沖擊波壓力都比較低；在材料加工過(guò)程中，由高能激光產(chǎn)生的熱影響占主導(dǎo)地位，金屬表面受熱膨脹，容易對(duì)材料進(jìn)行塑性壓塑，從而使得材料表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，不利于材料疲勞壽命的提高[19]。

圖2 殘余壓力場(chǎng)形成原理Fig.2 The formation mechanism of residual stress field

(a)非約束型；(b)約束型圖3 激光沖擊處理的兩種模型[18]Fig.3 Two models of laser shock treatment[18]

而“約束型”的作用方式，通過(guò)透明約束層的作用，使得等離子體沖擊波壓力大大提高；其能夠使沖擊波作用空間集中在微小范圍之內(nèi)，從而產(chǎn)生純粹的機(jī)械效應(yīng)[20]。該方式能夠使沖擊波峰值壓力達(dá)到GPa甚至TPa量級(jí)，遠(yuǎn)超材料的動(dòng)態(tài)屈服極限，在激光沖擊強(qiáng)化作用結(jié)束后，材料表面硬度得到顯著提高，產(chǎn)生均勻的殘余壓應(yīng)力層，從而提高金屬材料的服役性能。

“約束型”模式下激光沖擊強(qiáng)化涂層材料的選擇。涂層材料的作用是吸收激光能量，產(chǎn)生等離子體沖擊波，與約束層共同作用起到增加沖擊波峰值壓力的效果。此外，涂層材料在吸收激光能量產(chǎn)生高壓沖擊波的同時(shí)需要保證金屬靶材不被激光燒蝕。涂層材料需要盡可能地多吸收激光能量，其對(duì)激光的吸收率當(dāng)然是越高越好。同時(shí)涂層材料的厚度需要適中，這是由材料表面的熱效應(yīng)所決定的，過(guò)厚的涂層會(huì)增加吸收層與約束層的距離，使得等離子體作用空間變大，沖擊波壓力會(huì)在一定程度上降低；而過(guò)薄的吸收層容易使得金屬靶材表面被激光燒蝕，反而會(huì)降低材料表面的強(qiáng)化效果。目前，用的最為廣泛的涂層材料為黑膠帶。另外有關(guān)文獻(xiàn)表明[21]，采用鋁箔作為吸收涂層，能夠增大激光的輸出脈沖，沖擊波壓力也會(huì)隨之增大。因此鋁箔作為吸收層也逐漸獲得越來(lái)越多人的青睞。

4 顯微組織

激光沖擊強(qiáng)化之所以能夠提高材料疲勞壽命，跟材料表層顯微組織的變化有著密切的關(guān)系。在超高應(yīng)變率的沖擊波作用下，材料表層組織位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加快，產(chǎn)生位錯(cuò)增殖、晶粒細(xì)化等現(xiàn)象，同時(shí)形成多種強(qiáng)化的亞細(xì)結(jié)構(gòu)，從而提高材料的疲勞抗力。

關(guān)于激光沖擊強(qiáng)化后材料顯微組織的變化，國(guó)內(nèi)外大批學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。張永康[22]通過(guò)對(duì)鎂合金激光沖擊強(qiáng)化處理，研究發(fā)現(xiàn)鎂合金晶粒經(jīng)過(guò)強(qiáng)化處理后，其晶粒組織得到細(xì)化，且晶粒細(xì)化程度隨激光沖擊強(qiáng)化次數(shù)的增加而增加(圖4)。

(a)未激光沖擊；(b)激光沖擊1次；(c)激光沖擊2次；(d)激光沖擊4次圖4 不同沖擊次數(shù)的AZ31B鎂合金的表層顯微組織[22]Fig.4 Surface microstructure of AZ31B magnesium alloys with different impact times[22]

Che[23]通過(guò)Ti6Al-4V激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了自納米化現(xiàn)象。Trdan對(duì) A1-Mg-Si合金激光沖擊強(qiáng)化的位錯(cuò)演變機(jī)制與晶粒細(xì)化形成過(guò)程進(jìn)行了研究；發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)沖擊波的作用下，合金的位錯(cuò)密度約提高了2.5倍，并且能夠觀察到納米晶及亞納米晶現(xiàn)象。

5 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

噴丸是現(xiàn)階段應(yīng)用最為普遍的材料表面強(qiáng)化工藝之一，能夠大大提高金屬材料的服役性能。其強(qiáng)化原理是通過(guò)不同材質(zhì)的高硬度彈丸高速撞擊零部件表面，使金屬?lài)@著每個(gè)彈丸產(chǎn)生塑性流動(dòng)，形成表面殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，誘導(dǎo)晶粒的形狀和方向改變，從而明顯改善材料的抗疲勞、耐腐蝕等性能，故處理后的材料表面粗糙度會(huì)增加明顯，甚至造成表面開(kāi)裂、脫層等表面損傷，這些因素在一定程度上損害了金屬材料的表面完整性，同時(shí)也降低了材料的性能[14-15]。

在強(qiáng)化機(jī)理上，激光沖擊強(qiáng)化與噴丸有著一定的相似性，但是在適用范圍和強(qiáng)化效果方面，激光沖擊強(qiáng)化有著顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在以下幾方面：

1)強(qiáng)化效果顯著。激光沖擊強(qiáng)化是一種低能耗的加工方式，其能在材料表面產(chǎn)生比傳統(tǒng)表面強(qiáng)化工藝(如噴丸、滾壓等)殘余應(yīng)力更大、影響層更深的強(qiáng)化層，同時(shí)能夠得到細(xì)化晶粒組織，極大地提高了材料的疲勞性能。

2)快速。塑性動(dòng)態(tài)作用時(shí)間在ns量級(jí)[16]。

3)工藝參數(shù)精確可控。激光強(qiáng)化過(guò)程中，激光器工藝參數(shù)是可調(diào)可控的，且激光沖擊強(qiáng)化路徑能夠依靠機(jī)器人進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)精確可控；同時(shí)可以通過(guò)參數(shù)控制和多次強(qiáng)化，從而得到理想的強(qiáng)化效果。

4)能夠?qū)崿F(xiàn)材料表面局部處理。脈沖激光具有可達(dá)性好、光斑直徑可調(diào)和精確定位等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的局部區(qū)域進(jìn)行處理，這是傳統(tǒng)表面強(qiáng)化工藝不能實(shí)現(xiàn)的，尤其適合飛機(jī)榫槽等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的局部處理，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料微米級(jí)的強(qiáng)化。

5)具有良好的表面性能[17]，無(wú)需對(duì)材料表面進(jìn)行后續(xù)處理。

6)具有環(huán)境友好、無(wú)污染的特點(diǎn)。

6 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用

激光沖擊強(qiáng)化的研究開(kāi)始于20世紀(jì)60年代，而實(shí)質(zhì)性的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究則是70年代后的事情[24]。由于受當(dāng)時(shí)設(shè)備條件等因素的限制，前期的研究工作主要在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展，而工業(yè)實(shí)際應(yīng)用則開(kāi)始于80年代中后期。

1972年，美國(guó)巴特爾學(xué)院的Fairand等[25]首次利用高功率脈沖激光器誘導(dǎo)的等離子體沖擊波對(duì)7075鋁合金進(jìn)行處理，揭開(kāi)了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用研究的序幕。1973-1981年間，該單位的Clauer等[26-27]研究了激光沖擊強(qiáng)化在結(jié)構(gòu)緊固件方面的工業(yè)應(yīng)用；由于激光源的缺乏，在一定程度上限制了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用，未見(jiàn)該實(shí)驗(yàn)室在激光沖擊處理應(yīng)用方面的進(jìn)一步發(fā)展。

1986年， Fabbro等在法國(guó)汽車(chē)與航空工業(yè)部門(mén)的支持下進(jìn)行了激光沖擊強(qiáng)化工藝和方法的研究，建立了沖擊波峰值壓力計(jì)算模型：

(1)

式中，ξ為內(nèi)能轉(zhuǎn)化熱能的系數(shù)；I0為入射激光功率密度，GW/cm2；Z為金屬靶材與約束層的合成聲阻抗，g·cm-2·s-1。該模型能夠很好地反映沖擊波的變化規(guī)律，至今仍為大多數(shù)人采用，具有廣泛的應(yīng)用意義。

到了上世紀(jì)90年代，由于高能量大功率激光器技術(shù)的研制，使得激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)走向?qū)嶋H工業(yè)應(yīng)用[28]。當(dāng)時(shí)代表性的研究單位有美國(guó)通用電氣(GE)公司和金屬改性公司(MIC)以及美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等，這極大地推動(dòng)了激光沖擊強(qiáng)化在基礎(chǔ)理論、設(shè)備開(kāi)發(fā)、工藝研究等方面的進(jìn)步，并且成功應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的表面強(qiáng)化處理[29]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，激光沖擊強(qiáng)化的應(yīng)用每月可為美國(guó)空軍節(jié)省軍費(fèi)幾百萬(wàn)美元[30]。

21世紀(jì)以來(lái)，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)展激光沖擊強(qiáng)化方面相關(guān)工作研究。2001年，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)首次在商用飛機(jī)上得到實(shí)際應(yīng)用。2005年，美國(guó)MIC開(kāi)發(fā)了世界上第一套激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)，應(yīng)用于軍用飛機(jī)零部件的表面處理。2009年，美國(guó)MIC在海外建立激光沖擊強(qiáng)化工廠，推動(dòng)了該技術(shù)的大力發(fā)展和走向軍民兩用。

我國(guó)在激光沖擊強(qiáng)化方面的研究工作，起步相對(duì)較晚。經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，我國(guó)在激光沖擊強(qiáng)化領(lǐng)域取得了豐富的科研成果，但是大多數(shù)依然是處于實(shí)驗(yàn)研究階段。國(guó)內(nèi)在該方面開(kāi)展工作比較多的單位有江蘇大學(xué)、空軍工程大學(xué)、北京航空制造工程研究所及中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所。1992年，南京航空航天大學(xué)率先開(kāi)展相關(guān)研究工作，當(dāng)時(shí)主要是對(duì)鋁合金進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后，材料表面形成一定數(shù)值的殘余壓應(yīng)力，且材料疲勞壽命得到一定的提高。1997年開(kāi)始，江蘇大學(xué)在激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)機(jī)理、涂層與約束層應(yīng)用、強(qiáng)化工藝試驗(yàn)、激光沖擊集成裝備等方面進(jìn)行了一系列研究；但受到設(shè)備限制加之沒(méi)有明確的應(yīng)用背景，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)仍未被推向工業(yè)應(yīng)用[31-32]。2008年，空軍工程大學(xué)作為牽頭單位聯(lián)合多家設(shè)備制造商以及解放軍5713工廠、中航460廠等技術(shù)應(yīng)用單位，采用“設(shè)備供應(yīng)—理論研究—實(shí)踐應(yīng)用”三位一體的合作模式，在我國(guó)陜西省西安市閻良區(qū)建立了我國(guó)第一條激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)線，標(biāo)志著我國(guó)成為第二個(gè)掌握該技術(shù)工程實(shí)際應(yīng)用的國(guó)家[33]。2011年，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所趙吉賓研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了我國(guó)第一套葉盤(pán)激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)(圖5)，該系統(tǒng)在黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司得到了實(shí)際應(yīng)用，填補(bǔ)了我國(guó)無(wú)激光沖擊強(qiáng)化工業(yè)應(yīng)用設(shè)備的空白[34-35]。2013年，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所與鞍山鋼鐵合作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模具微小裂紋的強(qiáng)化處理，每年可為鞍鋼節(jié)省幾千萬(wàn)的生產(chǎn)成本。

圖5 整體葉盤(pán)激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備[35]Fig.5 LSP equipment for turbine blisk[35]

7 結(jié)束語(yǔ)

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是一種綠色環(huán)保、高效的新型表面改性技術(shù)，具有強(qiáng)化效果顯著、可控性強(qiáng)、適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)和高能、高壓、超高應(yīng)變率的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在提高材料表面性能和疲勞壽命方面有著不可替代的作用。隨著對(duì)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究的不斷深入，以及大型激光器、機(jī)器人、智能制造等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)必然走向成熟，必將在多個(gè)領(lǐng)域得到實(shí)際的工業(yè)應(yīng)有，使更多企業(yè)受益。