激光沖擊強化技術原理及其應用研究

劉學軍，張旖諾，吳嘉俊，胡太友，張洪瑤，李長云，萬爛軍

(1.中國科學院沈陽自動化研究所 裝備制造技術研究室，遼寧 沈陽 110016；2.湖南工業大學 計算機學院，株洲412007 )

激光技術被譽為現代制造工業的“萬能加工工具”、“未來制造系統共同的加工手段”。現代激光工業技術的常見應用如切割、焊接、激光增材制造、激光拋光等，都是利用了激光的熱效應來進行加工，而作為激光表面改性技術最新應用的激光沖擊強化技術，其加工過程中利用的卻是激光的力學效應(當材料受到激光輻射照射時產生的沖擊波)。激光沖擊強化(laser shock peeing/processing，LSP)又稱激光噴丸，興起于20世紀70年代初，是一種新型的表面處理技術。經激光沖擊強化處理后，材料表面會形成一定深度影響層的殘余壓應力，從而抑制材料疲勞裂紋的萌生和發展，顯著延長材料的疲勞壽命，提高材料的抗腐蝕性和耐磨性[1-3]；適用于高硬度、高脆性及高熔點的金屬材料表面處理。激光沖擊強化技術具有高效、環保、不會破壞靶材表面完整性等優勢，近年來，該技術受到廣泛重視，得到了快速發展。

金屬材料的主要失效形式是疲勞、腐蝕和磨損，而這些失效形式無一例外均開始于材料表面，所以金屬材料表面的結構及其綜合性能直接影響著金屬材料的綜合性能。對于具有高強度結構的金屬材料，由于材料的抗疲勞強度要求高，因此激光沖擊強化技術可以滿足材料的硬度、殘余應力、組織損傷等“表面完整性抗疲勞制造”技術指標，比如可以提高帶緊固孔連接件的疲勞壽命，降低孔邊的裂紋擴展速率等[4]。激光沖擊強化技術同時是一項軍民兩用技術，與傳統表面強化技術相比，激光沖擊強化在精密航空零件材料強化方面有著顯著優勢，是目前應用最為廣泛的先進表面改性技術[5]。近年來，隨著人們對材料服役性能的要求越來越高，激光沖擊強化技術在航空航天、軌道交通、石化、兵器、海洋船舶、醫療工業等領域顯示了巨大的技術優勢和擁有著廣闊的應用前景[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化的直接誘導因素，根據沖擊波相對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。而激光沖擊強化的過程中，等離子體誘導產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，激光的功率密度越大，脈沖能量越強，等離子體誘發產生的爆轟波的壓力也越高[7-9]。激光沖擊強化的作用原理主要涉及兩個方面，等離子體沖擊波的形成和沖擊波對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生等離子體，同時伴隨有升溫、熔融、氣化、噴濺等現象，這是一種物理性質的爆轟波。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，由于不同波長的波之間存在著傳播速度差，擾動波陣面在穿過材料時會產生沖擊波。

1.2 沖擊波在材料內部的傳播和相互作用

等離子體沖擊波在一個高溫高壓的環境下產生，器作用時間十分短暫(為ns 量級)，在這樣的高溫、高壓、極短時間的作用下材料會發生一系列復雜的組織變化，同時在沖擊強化的作用過程中，沖擊波的峰值壓力遠大于金屬材料發生塑性變形時的屈服極限，當沖擊波壓力大于金屬材料彈性極限時，材料會發生動態響應，形成動態塑性變形。

2 激光沖擊強化基本原理

激光沖擊強化原理如圖1所示。

圖1 激光沖擊強化過程原理圖[10]Fig.1 Schematic of LSP process[10]

在材料表面，有一個不透明的激光輻射吸收層，其蒸發溫度低，其上面覆蓋有透明約束層(常見的有K9玻璃、硅油或流水)。當短脈沖高峰值功率密度的脈沖激光照射金屬表面時，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變速率下發生爆炸性汽化蒸發[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，產生高壓沖擊波，在平行于沖擊表面的平面里產生雙軸壓應力場[12]。強化作用結束后，由于沖擊區域周圍材料的反作用，在材料表層形成密集且穩定的位錯結構，其力學效應表現為材料表面獲得較高的殘余壓應力，殘余壓應力可引起裂紋的閉合效應，從而有效降低疲勞裂紋擴展的驅動力，延長疲勞裂紋擴展壽命[13]。圖2為殘余壓力場形成原理。

3 激光誘導沖擊波的產生方式及沖擊效果

激光誘導形成等離子體沖擊波的放式有兩種，一種是“非約束型”，另一種是現在主要應用的“約束型”。激光沖擊強化能夠產生顯著的強化效果，主要得益于其約束層原理結構。約束層原理結構是日本科學家在20世紀90年代研究過程中發現的，大大推動了激光沖擊強化這項新型技術走向工業化應用。

圖3為激光沖擊強化的兩種模型。對于“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；在材料加工過程中，由高能激光產生的熱影響占主導地位，金屬表面受熱膨脹，容易對材料進行塑性壓塑，從而使得材料表面產生殘余拉應力，不利于材料疲勞壽命的提高[19]。

圖2 殘余壓力場形成原理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，從而產生純粹的機械效應[20]。該方式能夠使沖擊波峰值壓力達到GPa甚至TPa量級，遠超材料的動態屈服極限，在激光沖擊強化作用結束后，材料表面硬度得到顯著提高，產生均勻的殘余壓應力層，從而提高金屬材料的服役性能。

“約束型”模式下激光沖擊強化涂層材料的選擇。涂層材料的作用是吸收激光能量，產生等離子體沖擊波，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生高壓沖擊波的同時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，其對激光的吸收率當然是越高越好。同時涂層材料的厚度需要適中，這是由材料表面的熱效應所決定的，過厚的涂層會增加吸收層與約束層的距離，使得等離子體作用空間變大，沖擊波壓力會在一定程度上降低；而過薄的吸收層容易使得金屬靶材表面被激光燒蝕，反而會降低材料表面的強化效果。目前，用的最為廣泛的涂層材料為黑膠帶。另外有關文獻表明[21]，采用鋁箔作為吸收涂層，能夠增大激光的輸出脈沖，沖擊波壓力也會隨之增大。因此鋁箔作為吸收層也逐漸獲得越來越多人的青睞。

4 顯微組織

激光沖擊強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系。在超高應變率的沖擊波作用下，材料表層組織位錯運動加快，產生位錯增殖、晶粒細化等現象，同時形成多種強化的亞細結構，從而提高材料的疲勞抗力。

關于激光沖擊強化后材料顯微組織的變化，國內外大批學者進行了相關研究。張永康[22]通過對鎂合金激光沖擊強化處理，研究發現鎂合金晶粒經過強化處理后，其晶粒組織得到細化，且晶粒細化程度隨激光沖擊強化次數的增加而增加(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Ti6Al-4V激光沖擊強化實驗發現了自納米化現象。Trdan對 A1-Mg-Si合金激光沖擊強化的位錯演變機制與晶粒細化形成過程進行了研究；發現在強沖擊波的作用下，合金的位錯密度約提高了2.5倍，并且能夠觀察到納米晶及亞納米晶現象。

5 激光沖擊強化技術的特點及優勢

噴丸是現階段應用最為普遍的材料表面強化工藝之一，能夠大大提高金屬材料的服役性能。其強化原理是通過不同材質的高硬度彈丸高速撞擊零部件表面，使金屬圍繞著每個彈丸產生塑性流動，形成表面殘余壓應力場，誘導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增加明顯，甚至造成表面開裂、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，同時也降低了材料的性能[14-15]。

在強化機理上，激光沖擊強化與噴丸有著一定的相似性，但是在適用范圍和強化效果方面，激光沖擊強化有著顯著的技術優勢，具體體現在以下幾方面：

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

2)快速。塑性動態作用時間在ns量級[16]。

3)工藝參數精確可控。激光強化過程中，激光器工藝參數是可調可控的，且激光沖擊強化路徑能夠依靠機器人進行規劃，實現精確可控；同時可以通過參數控制和多次強化，從而得到理想的強化效果。

4)能夠實現材料表面局部處理。脈沖激光具有可達性好、光斑直徑可調和精確定位等優點，可對復雜結構零部件的局部區域進行處理，這是傳統表面強化工藝不能實現的，尤其適合飛機榫槽等復雜結構的局部處理，甚至能夠實現金屬材料微米級的強化。

5)具有良好的表面性能[17]，無需對材料表面進行后續處理。

6)具有環境友好、無污染的特點。

6 激光沖擊強化技術的應用

激光沖擊強化的研究開始于20世紀60年代，而實質性的科學實驗研究則是70年代后的事情[24]。由于受當時設備條件等因素的限制，前期的研究工作主要在實驗室開展，而工業實際應用則開始于80年代中后期。

1972年，美國巴特爾學院的Fairand等[25]首次利用高功率脈沖激光器誘導的等離子體沖擊波對7075鋁合金進行處理，揭開了激光沖擊強化技術應用研究的序幕。1973-1981年間，該單位的Clauer等[26-27]研究了激光沖擊強化在結構緊固件方面的工業應用；由于激光源的缺乏，在一定程度上限制了激光沖擊強化技術工業化應用，未見該實驗室在激光沖擊處理應用方面的進一步發展。

1986年， Fabbro等在法國汽車與航空工業部門的支持下進行了激光沖擊強化工藝和方法的研究，建立了沖擊波峰值壓力計算模型：

(1)

式中，ξ為內能轉化熱能的系數；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律，至今仍為大多數人采用，具有廣泛的應用意義。

到了上世紀90年代，由于高能量大功率激光器技術的研制，使得激光沖擊強化技術走向實際工業應用[28]。當時代表性的研究單位有美國通用電氣(GE)公司和金屬改性公司(MIC)以及美國利弗莫爾國家實驗室等，這極大地推動了激光沖擊強化在基礎理論、設備開發、工藝研究等方面的進步，并且成功應用于渦輪發動機葉片的表面強化處理[29]。據統計，激光沖擊強化的應用每月可為美國空軍節省軍費幾百萬美元[30]。

21世紀以來，越來越多的國家開展激光沖擊強化方面相關工作研究。2001年，激光沖擊強化技術首次在商用飛機上得到實際應用。2005年，美國MIC開發了世界上第一套激光沖擊強化系統，應用于軍用飛機零部件的表面處理。2009年，美國MIC在海外建立激光沖擊強化工廠，推動了該技術的大力發展和走向軍民兩用。

我國在激光沖擊強化方面的研究工作，起步相對較晚。經過近30年的發展，我國在激光沖擊強化領域取得了豐富的科研成果，但是大多數依然是處于實驗研究階段。國內在該方面開展工作比較多的單位有江蘇大學、空軍工程大學、北京航空制造工程研究所及中科院沈陽自動化所。1992年，南京航空航天大學率先開展相關研究工作，當時主要是對鋁合金進行激光沖擊強化處理，發現經激光沖擊強化后，材料表面形成一定數值的殘余壓應力，且材料疲勞壽命得到一定的提高。1997年開始，江蘇大學在激光沖擊強化技術機理、涂層與約束層應用、強化工藝試驗、激光沖擊集成裝備等方面進行了一系列研究；但受到設備限制加之沒有明確的應用背景，激光沖擊強化技術仍未被推向工業應用[31-32]。2008年，空軍工程大學作為牽頭單位聯合多家設備制造商以及解放軍5713工廠、中航460廠等技術應用單位，采用“設備供應—理論研究—實踐應用”三位一體的合作模式，在我國陜西省西安市閻良區建立了我國第一條激光沖擊強化生產線，標志著我國成為第二個掌握該技術工程實際應用的國家[33]。2011年，中國科學院沈陽自動化研究所趙吉賓研究團隊開發了我國第一套葉盤激光沖擊強化系統(圖5)，該系統在黎明航空發動機公司得到了實際應用，填補了我國無激光沖擊強化工業應用設備的空白[34-35]。2013年，中科院沈陽自動化所與鞍山鋼鐵合作，實現了對模具微小裂紋的強化處理，每年可為鞍鋼節省幾千萬的生產成本。

圖5 整體葉盤激光沖擊強化設備[35]Fig.5 LSP equipment for turbine blisk[35]

7 結束語

激光沖擊強化技術是一種綠色環保、高效的新型表面改性技術，具有強化效果顯著、可控性強、適應性好的優點和高能、高壓、超高應變率的技術優勢，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。隨著對激光沖擊強化技術研究的不斷深入，以及大型激光器、機器人、智能制造等產業的快速發展，激光沖擊強化技術必然走向成熟，必將在多個領域得到實際的工業應有，使更多企業受益。