激光沖擊強化對金屬材料疲勞壽命的影響及應用

摘 要：本文從激光沖擊強化材料表面致使金屬材料表面形成殘余應力、改變金屬材料的微觀組織結構機理兩個角度闡釋了激光沖擊強化過程中材料的表面抗疲勞性能得以進一步改良的本質原因。并舉例說明了激光沖擊強化技術在各范圍的應用，指出了探究激光沖擊強化時的重點及難點，簡單描述了其發展趨勢。

關鍵詞：激光沖擊強化；表面改性；疲勞壽命

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.273

0 引言

金屬材料疲勞失效一般發生在材料應力集中程度較大的表面或是含有雜質、缺陷的內部。對于受扭轉、彎曲、剪切及其組合變形的零件而言，疲勞裂紋往往起源于材料表面。因此，改善金屬材料的表面質量、強化其表面性能，增強機械零部件的性能和壽命成為國內外學者研究的重點。激光表面強化技術具有功率密度高、加工靈活、操作方便無污染等優勢，因此，被廣泛應用于工業制造領域。其中，激光沖擊強化被普遍地用來提高金屬原材料的疲勞壽命。激光沖擊強化是在極為短暫的時間（納秒級）內將激光束照射在金屬材料的表面，迫使材料表面產生等離子體，并利用等離子體膨脹的過程對金屬產生強烈的沖擊。這一沖擊過程將使材料因產生晶體點缺陷、位錯或則孿晶而得以強化[1]，如圖1。

1 激光沖擊強化形成金屬材料表面殘余應力層

傳統的噴丸技術是在被處理的金屬表面形成一層較薄的殘余壓應力，其被證實能夠限制疲勞裂紋擴展的速率。但是，傳統技術應變較大，且形成的殘余應力層較薄，而激光沖擊在非常高的應變率下能以較小的應變形成大于一毫米的殘余應變層。Dane.C.等[2]通過比較Inconel718合金經噴丸技術和激光沖擊處理后的殘余應力分布圖2，得出激光沖擊均優于噴丸技術的結論。激光沖擊形成的殘余壓應力與金屬材料、涂層、激光束的尺寸等都息息相關：用不同的材料來作為吸收層所得到的殘余應力分布不同，根據Hong， X [3]的研究結果顯示黑漆作為吸收材料能更好的吸收激光能束；涂層是用來吸收更多的沖擊波使金屬產生塑性變形，一般而言涂層的選擇是根據介質的光傳播速度和密度，研究表明水是最適合的涂層，但是涂層與殘余應力場的具體關系仍然沒有相關報道。

2 激光沖擊強化改變金屬材料微觀組織

在激光強脈沖沖擊下，金屬材料的相結構得到強化，可檢測到沖擊波對材料表面的沖擊凹陷。這在一定程度上對材料表層進行了“夯實”，能夠有效地遏制疲勞裂紋的形成和擴散[4]。其發出的等離子沖擊波壓力值可以達到數千兆帕，而金屬原材料的動態屈服強度極小于此沖擊波壓力極值，使得金屬原材料有序的晶體結構被破壞，產生位錯及位錯運動[5]，這會在一定程度上影響裂紋的萌生和擴展。經過激光沖擊的金屬材料表面的應變率和應變最大，這些細分結構形成亞晶界，最后導致等軸細化晶粒的形成。在多次重復的激光沖擊中，沖擊到金屬材料表面的距離不斷增加，應變率隨之不斷減小，并且在開始時，應變率會快速遞減。另，其微觀結構隨著深度的不同也會發生變化。所以，激光沖擊產生的應變率和應變嚴重地影響著粗晶的細化及其微觀結構特征。

3 激光沖擊強化在疲勞壽命研究中的應用

零件某些區域用噴丸處理得不到理想效果，如V形刻槽，就可以使用激光沖擊處理。激光沖擊處理可以增加殘余壓應力層的深度，能夠顯著改進材料的性能、更有效地控制金屬表面的裂紋生長。因此在增加金屬的疲勞壽命及增強金屬結構疲勞強度方面，可以廣泛地使用激光沖擊處理，也可用來強化零件的薄壁性能。在航天工業中，很多航天類產品都可以使用激光沖擊處理技術，并且，激光沖擊處理焊接和已焊接修復葉輪機零部件的技術已申請了專利。對于航空設備表面的緊固孔出現老化和產生裂紋的現象，可以用激光沖擊處理進行磨光，延長使用壽命。在激光沖擊處理的整個過程中，工件表面的質量基本不被破壞，工作過程保持干凈，不破壞工作環境。另外，激光沖擊強化還應用于生物醫療領域，比如永久植入物強化、可降解植入物強化等。

4 討論

激光沖擊處理使金屬原材料的表面形成殘余壓應力層的深度大于1毫米，讓使金屬原材料的疲勞性能獲明顯的改良，而且，可以使金屬原材料表面得到強化，使某些材質（如鑄鐵，鈦合金，鋁合金等）的金屬零部件性能得到改良。但是，激光沖擊強化的工藝過程及強化微觀機制還得開展深一步的探究。特別是關于激光沖擊強化的抗應力腐蝕疲勞強化特性展開的研究仍然較少，激光沖擊處理涉及到的冶金技術的領域從未被進一步探究。最后，為更好地闡釋激光沖擊波對殘余壓應力層的產生及其深度的影響，應搭建相應的過程模型。

參考文獻：

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[2]C.B.Dane， L.A.Hackel， J.Daly. Shot Peening with lasers. Advanced Materials and Processes，1998，（153）：37-38.

[3]Hong X，Shengbo W， Dahao G.Confining medium and absorptive overlay： Their effects on a laser-induced shock wave. Optics and Lasers in Engineering，1998（29）：447-455.

[4]鄒世坤，譚永生，郭大浩等.激光沖擊處理對鋁鋰合金力學性能的影響[J].中國激光，2004 ，31（03）：371—373.

[5]喬紅超，趙亦翔，趙吉賓等.激光沖擊強化對TiAl合金組織和性能的影響[J].光學精密工程，2014，22（07）：1766—1772.

作者簡介：彭敏（1988-），女，碩士研究生，教師，研究方向：機械設計及理論。