喬紅超，高 宇，趙吉賓，陸 瑩，趙亦翔

(1. 中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，沈陽 110179；2. 中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽 110043；3. 中國科學(xué)院 金屬研究所，沈陽 110016)

隨著航空、航天、武器、能源、交通領(lǐng)域高端裝備的發(fā)展，對其零件的使役性能要求越來越高，一方面需研制具有高性能的材料，另一方面需加強(qiáng)現(xiàn)有材料的使役性能[1]。然而傳統(tǒng)的噴丸[2]、滾壓[3]等材料改性技術(shù)因其引入的壓應(yīng)力層深度最大僅能達(dá)到75~250 μm，以及成形困難，所以漸漸不再能滿足高性能零件的生產(chǎn)加工需求。而近年來發(fā)展起來的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)不但可產(chǎn)生 1 mm甚至更深的壓應(yīng)力層[3]，同時因激光能量、脈沖寬度、路徑軌跡等工藝參數(shù)可精確調(diào)節(jié)設(shè)定和從而對零件的表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力分布、零件變形量等技術(shù)指標(biāo)可精確調(diào)控[4]。圖 1所示為激光沖擊強(qiáng)化工藝示意圖。由圖 1可知，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是利用短脈沖高能量激光束輻照粘附在零件表面上的吸收層，吸收層吸收激光能量迅速發(fā)生等離子體氣化，形成的等離子體團(tuán)進(jìn)一步快速的吸收更多的激光能量，形成壓強(qiáng)可達(dá)幾十GPa的高溫高壓的等離子團(tuán)，其在約束層的約束下發(fā)生爆炸產(chǎn)生瞬時等離子體沖擊波。向零件內(nèi)部傳播的高速高壓等離子體沖擊波，能夠使工件表層材料發(fā)生高速塑性應(yīng)變，引起晶格畸變、位錯、位錯交織、位錯墻、晶粒細(xì)化等微觀織構(gòu)變化[5]，在零件表面產(chǎn)生表面壓應(yīng)力，從而實現(xiàn)對零件的表面強(qiáng)化或精密成形加工[6]。因激光沖擊強(qiáng)化具有上述優(yōu)勢，近年來得到了飛速的發(fā)展，在航空、航天、運(yùn)載、電力、國防等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷得到拓展，已逐步走向成熟[7]。然而，國內(nèi)外尚無研究對其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行全面系統(tǒng)的歸納總結(jié)(針對某個特定領(lǐng)域已有系統(tǒng)總結(jié))，為加深人們對激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用的全面了解，本文作者簡要概述激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在高周疲勞、腐蝕防護(hù)、生物醫(yī)療、精密成形領(lǐng)域的幾項代表性應(yīng)用。

圖1 激光沖擊強(qiáng)化工藝示意圖Fig. 1 Schematic diagram of laser peening process

1 激光沖擊強(qiáng)化在高周疲勞領(lǐng)域的應(yīng)用

在役零件(例如彈簧、傳動軸、承力構(gòu)件等)承受的交變載荷一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其屈服極限[8-9]，然而，據(jù)1982年美國聯(lián)邦調(diào)查局的統(tǒng)計報告[10]，由疲勞斷裂引起的事故約占機(jī)械結(jié)構(gòu)失效破壞總數(shù)的95%以上。例如，在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中，葉片在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)帶動及強(qiáng)氣流的沖刷下，承受著拉伸、彎曲和振動等多種載荷[11]，特別是位于進(jìn)氣端的前三級壓氣機(jī)葉片由高周疲勞引發(fā)的事故約占發(fā)動機(jī)失事總事故的 25%以上[12-13]，且這些失效多始于表面[14]，因而，表面強(qiáng)化技術(shù)成為改善零部件疲勞壽命的必要手段[15]。新興的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)不僅可在零件表層形成殘余壓應(yīng)力，還可細(xì)化表層晶粒，從而可以有效地抑制裂紋萌生和擴(kuò)展[16]。因此，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)必將在未來的高周疲勞領(lǐng)域里持續(xù)發(fā)揮重要的作用。

1.1 激光沖擊強(qiáng)化在高性能零件生產(chǎn)中的應(yīng)用

昂貴的尖端技術(shù)往往最先在經(jīng)費(fèi)充足的航空、航天、武器等軍工國防領(lǐng)域應(yīng)用，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)也不例外[17]，其設(shè)備目前的市場價格一般為幾百萬元甚至上千萬元人民幣，另因?qū)ζ涔ぷ鳝h(huán)境要求苛刻，運(yùn)行成本也較高[18]。盡管如此，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)自1972年誕生以來，卻受到了廣泛的青睞[19-20]。20世紀(jì)90年代，美國為此實施了高周疲勞研究國家計劃，利弗莫爾實驗室、通用公司和金屬改進(jìn)公司等聯(lián)合深入開展了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的理論、工藝和設(shè)備研究，使激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)逐步走向了實用[21]。1997年，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)開始被用于強(qiáng)化 F22、Boeing747和Boeing767發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片[22]。進(jìn)入21世紀(jì)，美國空軍再次設(shè)置了4個重要的制造技術(shù)計劃，解決了激光沖擊強(qiáng)化效率和移動生產(chǎn)等工業(yè)應(yīng)用問題[23]。2001年，美國激光沖擊強(qiáng)化公司為Rolls-Royce公司強(qiáng)化了800多個發(fā)動機(jī)葉片，成為激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在商用飛機(jī)發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的首例。2004年，美國為F22戰(zhàn)斗機(jī)整體葉盤生產(chǎn)建設(shè)了專用激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)線，并發(fā)布了AMS-2546激光沖擊強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)[24]。到2009年，F(xiàn)22戰(zhàn)斗機(jī)上約75%的整體葉盤都要經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化處理[25]。與國外相比，我國的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用研究起步較晚，興起于上世紀(jì) 90年代[26]，江蘇大學(xué)成為我國當(dāng)之無愧的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)鼻祖之一。直到2008年，連續(xù)脈沖激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備在西安空軍工程大學(xué)研制成功，標(biāo)志著我國擁有了使用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的能力[27]。2011年，中科院沈陽自動化所喬紅超團(tuán)隊[5,7,28]向沈陽黎明發(fā)動機(jī)有限公司交付了我國首臺整體葉盤激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)(見圖2)，徹底突破了工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的瓶頸，填補(bǔ)了我國無工業(yè)應(yīng)用激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備的空白。該系統(tǒng)滿負(fù)荷全天候運(yùn)行至今，為航空事業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)(可提高葉盤壽命 4~6倍以上)，為沈陽黎明發(fā)動機(jī)公司創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，并為推動激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在更多型號航空發(fā)動機(jī)上推廣應(yīng)用制定了 LMSIA-0131企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[29-30]。

圖2 整體葉盤激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備[28]Fig. 2 Blisk laser peening device[28]

目前，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用獲得了井噴式的發(fā)展，除在航空領(lǐng)域的高性能零件加工中獲得廣泛應(yīng)用外，在電站、交通運(yùn)輸、照明等行業(yè)也獲得了大量應(yīng)用。日本東芝公司將其用于日立發(fā)電機(jī)組的汽輪機(jī)葉片生產(chǎn)(見圖3)[31]；美國的金屬改進(jìn)公司將其用于水面艦船的鋁合金結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)[23]；中科院沈陽自動化所將其用于短弧汞燈電極生產(chǎn)和高速機(jī)車軸生產(chǎn)等其他領(lǐng)域[32]。隨著零件整體性能要求越來越苛刻，應(yīng)用領(lǐng)域的迅猛擴(kuò)張，對激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。主要包括以下3個問題：1) 如何在高溫或低溫工作環(huán)境下發(fā)揮激光沖擊強(qiáng)化效能。航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片、電站渦輪葉片和內(nèi)燃機(jī)連桿等零件工作在高溫(800 ℃以上)下，而激光沖擊強(qiáng)化形成的殘余壓應(yīng)力隨著溫度的升高或時間的延長會逐漸釋放。例如，IN718鎳基合金在550 ℃ 10 min內(nèi)，殘余應(yīng)力消失約15%；在650 ℃ 5 min內(nèi)，殘余應(yīng)力消失約30%；40 min內(nèi)，殘余應(yīng)力消失約40%，5 h后，消失約70%[33]，即激光沖擊強(qiáng)化的效果在高溫下大打折扣。因而需進(jìn)一步研究激光沖擊超高應(yīng)變率塑性變形誘發(fā)的微結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的形成機(jī)制及其穩(wěn)定原理與技術(shù)，例如研究溫/冷激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，使得激光沖擊強(qiáng)化效果在高溫和低溫下都能最大可能的發(fā)揮；2)在工件上如何實現(xiàn)最優(yōu)的殘余應(yīng)力分布。零件的狹小尺寸突變部位激光沖擊強(qiáng)化后，可能在齒槽內(nèi)形成殘余壓應(yīng)力，而在齒槽邊緣形成殘余拉應(yīng)力或應(yīng)力集中。例如，艦載機(jī)尾鉤的強(qiáng)化區(qū)域或激光沖擊工藝參數(shù)選擇不合適，很容易加速尾鉤失效，疲勞壽命遠(yuǎn)低于未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化的工件，因而需進(jìn)一步研究激光沖擊強(qiáng)化調(diào)控技術(shù)，對沖擊強(qiáng)化前、中、后的應(yīng)力分布場演變進(jìn)行實時掌控，通過調(diào)制應(yīng)力場，最大限度發(fā)揮激光沖擊強(qiáng)化效能并提高激光沖擊強(qiáng)化效率；3)如何降低激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用成本。目前激光沖擊強(qiáng)化所用的主流激光器為Nd:YAG高能脈沖激光器，輸出的單脈沖能量高達(dá)幾十焦耳。達(dá)到如此高的輸出能量主要通過逐級能量放大實現(xiàn)。進(jìn)而要求激光器放大級之間的控制時序達(dá)到微秒(甚至更高)量級。另外，激光沖擊強(qiáng)化要求輸出方形或圓形的勻強(qiáng)平頂分布的光斑，要求 YAG晶體棒加工成方形或圓形，且無加工缺陷，進(jìn)而激光器的價值不菲。也間接決定了整臺激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備的價格居高不下。因而，需進(jìn)一步開發(fā)新型的低成本的可靠的激光沖擊強(qiáng)化激光器。

圖3 激光沖擊強(qiáng)化汽輪機(jī)葉片[31]Fig. 3 Laser peening for blades of stream turbine[31]

1.2 激光沖擊強(qiáng)化在高性能零件再制造中的應(yīng)用

隨著零件再制造的需求越來越多，再制造已發(fā)展成為了一種新興的產(chǎn)業(yè)[34]。電弧堆焊、氬弧堆焊、等離子弧堆焊、等離子弧噴涂、電鍍、激光熔敷等再制造技術(shù)步入了快速發(fā)展期[35-37]。這些再制造技術(shù)的共同點是獲取與基體冶金結(jié)合的致密熔覆層，恢復(fù)零件的幾何外形，重獲零件的使用功能。而作為新興的激光沖擊強(qiáng)化再制造技術(shù)與之完全不同，不再是以生長材料為已任，而是抑制影響使用的裂紋擴(kuò)展，有效延長疲勞壽命，使高性能零件獲得再生機(jī)會[38]。由于激光沖擊強(qiáng)化具有靈活、方便、快捷、高效等固有特性，其受到了廣泛的關(guān)注。

由于水輪機(jī)葉片、水泵葉片、航空發(fā)動機(jī)葉片等遭到隨水流或氣流帶來的砂石、飛鳥、雜物等異物撞擊后，在葉片的尖端、前緣、后緣等部位形成缺口、形變或裂紋，引入應(yīng)力突變或直接成為裂紋萌生源(通常稱之為異物破壞)，直接威脅葉片的安全使用壽命，使機(jī)組失效甚至釀成災(zāi)難性事故。1995年，美國率先研究了激光沖擊強(qiáng)化對異物破壞的航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇的影響(見圖4)，發(fā)現(xiàn)有異物損傷缺口的F101葉片經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化后，其疲勞強(qiáng)度為290 MPa，接近甚至

超過沒有破壞也沒有經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化處理的葉片[39]。2002年后，美國便開始將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)大規(guī)模用于航空部件的修理中。2003年，美國聯(lián)邦航空局和日本亞細(xì)亞航空局正式將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)批準(zhǔn)為飛機(jī)關(guān)鍵件的維修技術(shù)，當(dāng)年這項技術(shù)被用于Boeing777飛機(jī)的零部件維修處理，這也標(biāo)志著激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)正式全面用于軍民飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的維修延壽，每月平均約節(jié)省零件更換費(fèi)900萬美元[40]。2008年，東京電力株式會社對低壓蒸汽機(jī)損傷的長葉片進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化再制造，有效延長葉片的使用壽命 1倍以上[41]。2013年，中科院沈陽自動化所與鞍鋼合作，開始對有微小裂紋的鍛壓模具進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，發(fā)現(xiàn)能夠有效控制裂紋的擴(kuò)展速率，一定程度上節(jié)約了模具的使用成本，大大縮短了停機(jī)修復(fù)時間。

圖4 激光沖擊強(qiáng)化損傷的葉片[39]Fig. 4 Laser peening for damaged blades[39]

雖然激光沖擊強(qiáng)化在高性能零件再制造領(lǐng)域已獲得了很多應(yīng)用，但進(jìn)一步提高其工業(yè)化的應(yīng)用水平，還有一系列技術(shù)瓶頸有待突破。除上述提到的降低激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備價格和縮減設(shè)備運(yùn)行成本之外，最重要的是開發(fā)便捷的、可到現(xiàn)場強(qiáng)化的移動式激光沖擊強(qiáng)化裝備。例如，鋼廠軋輥模具損壞后的停機(jī)、拆裝、運(yùn)輸?shù)榷紩o鋼廠的生成帶來巨大的損失。因而，如果能夠在不拆卸軋輥模具的情況下，直接對其裂紋萌生的部位進(jìn)行強(qiáng)化，將會給鋼廠節(jié)省成本。飛機(jī)的葉片在空中飛行受傷后，降落到地面就能馬上對其損傷部位進(jìn)行強(qiáng)化，抑制其裂紋擴(kuò)展，便可繼續(xù)起航，從而可大大縮短旅客的滯留時間，或可大大提高戰(zhàn)斗機(jī)的單機(jī)飛行架次，為分秒必爭的戰(zhàn)爭贏取勝算時間。這種移動式的激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備(見圖 5)已被美國金屬改進(jìn)公司于 2012年突破[42]，它可把激光沖擊強(qiáng)化再制造場地帶到世界的任何角落。但這項技術(shù)對我國實施了技術(shù)封鎖。雖然金屬改進(jìn)公司已經(jīng)相繼在蘇州、天津等地注冊了公司，但至今不在我國境內(nèi)提供激光沖擊強(qiáng)化服務(wù)。到目前為止，我國還無工業(yè)應(yīng)用的移動式激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備問世。中科院沈陽自動化所等單位率先開展了相關(guān)研究工作，但由于科研經(jīng)費(fèi)的投入有限，目前還停留在實驗室樣機(jī)研制階段。

圖5 移動式激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備[42]Fig. 5 Mobile laser peening device[42]

2 激光沖擊強(qiáng)化在腐蝕防護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

近年來，鋁鎂合金等金屬材料因其較低的密度、較高的強(qiáng)度以及優(yōu)異的機(jī)械加工性能，在航空、航海和汽車工業(yè)等領(lǐng)域獲得了與之俱增的關(guān)注與青睞，其作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的使用量逐年遞增。但由于鋁鎂合金等輕金屬材料的耐腐蝕性相對較差，受到應(yīng)力和腐蝕劑的共同作用，易產(chǎn)生腐蝕開裂失效，從而制約了其應(yīng)用范圍的拓展。解決耐腐蝕性差與需求量大的矛盾成為了相關(guān)科學(xué)工作者刻不容緩的任務(wù)。研究人員先后提出并相繼發(fā)展了化學(xué)轉(zhuǎn)化、陽極氧化、氣相沉積、電化學(xué)鍍、離子注入、金屬合金化、表面噴涂等表面改性方法[43]。這些方法在特定環(huán)境中均能有效抑制腐蝕，但對于既要求兼容性又不能引入其他外來元素的場合，此類方法顯然鞭長莫及。但值得慶幸的是，科研人員還發(fā)現(xiàn)金屬表面致密的壓應(yīng)力層同樣也可抑制腐蝕。因而，致密的壓應(yīng)力層是既解決兼容性又可解決抑制腐蝕的最有效的方法之一。因新興的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)能夠使金屬材料表層發(fā)生劇烈的塑性變形、顯微組織結(jié)構(gòu)細(xì)化和產(chǎn)生更大(更深)的殘余壓應(yīng)力(層)，從而可提高金屬材料表面耐腐蝕性能且兼顧兼容性[44]。

在利用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)抑制應(yīng)力腐蝕應(yīng)用研究方面，國內(nèi)外機(jī)構(gòu)開展了大量的研究工作。1999年，日本東芝公司為防止沸水反應(yīng)堆關(guān)鍵零部件的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生[45]，開始研究無涂層激光沖擊強(qiáng)化對核電站關(guān)鍵零部件腐蝕性能的影響，并于2002年后將該技術(shù)全面用于東芝公司參建的所有核電站中。2003年，美國利弗莫爾國家實驗室研究激光沖擊強(qiáng)化后合金鋼600的抗應(yīng)力腐蝕性能(見圖6)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋明顯從未沖擊強(qiáng)化區(qū)域萌生[46]，而激光沖擊強(qiáng)化區(qū)域未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋。后來，利弗莫爾國家實驗室在YMP研究計劃中，將U型304不銹鋼試樣放入了氯化鎂溶液中做應(yīng)力腐蝕試驗，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化處理的試樣2 h內(nèi)出現(xiàn)了裂紋，而經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化的試樣在6 d內(nèi)無腐蝕裂紋萌生。在前期試驗研究的基礎(chǔ)上，2010年，利弗莫爾國家實驗室正式對存放核廢料的Al22合金容器焊縫進(jìn)行了激光沖擊強(qiáng)化，將容器焊縫區(qū)域的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，為容器掩埋在Yucca山下10000年不泄露提供技術(shù)保證。同年，葛茂忠等[47]對軋制態(tài) AZ31B鎂合金薄板進(jìn)行了激光沖擊強(qiáng)化抑制應(yīng)力腐蝕試驗，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化的試件在去離子水中浸沒260 h后，在受拉應(yīng)力一側(cè)的試樣表面出現(xiàn)了許多絲帶裂紋并迅速擴(kuò)大，而經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化的試樣并未出現(xiàn)裂紋。本文作者與東安發(fā)動機(jī)公司合作對ZM6鎂合金在NaCl溶液中抗腐蝕性能進(jìn)行研究，1 h后發(fā)現(xiàn)未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化的試片表面有很多腐蝕的孔洞，而激光沖擊強(qiáng)化的試片表面幾乎無孔洞，再次表明激光沖擊強(qiáng)化能夠抑制應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。

圖6 激光沖擊強(qiáng)化抑制裂紋萌生與擴(kuò)展[46]Fig. 6 Laser peening stops crack initiation and growth in alloy 600[46]

東芝公司和利弗莫爾國家實驗室利用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)處理沸水堆、壓水堆核反應(yīng)器(見圖7)和核廢料存儲容器，降低了應(yīng)力腐蝕開裂的幾率，取得了重要的應(yīng)用進(jìn)展。但與前面提到的疲勞領(lǐng)域的應(yīng)用相比，激光沖擊強(qiáng)化抑制腐蝕的工業(yè)應(yīng)用案例明顯少了許多。究其原因，本文作者分析認(rèn)為主要有以下兩點：1) 目前常用的激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備限制了其應(yīng)用場合。在工業(yè)應(yīng)用中，從投資成本、生產(chǎn)效率方面分析，與傳統(tǒng)表面改性技術(shù)相比，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在環(huán)境要求苛刻的、大型的復(fù)雜零件表面改性中才具有無與倫比的優(yōu)勢。從而，對目前常用的激光沖擊強(qiáng)化激光器提出了新的挑戰(zhàn)。目前，在激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用領(lǐng)域使用較多的是波長為1064 nm的激光束，而波長為1064 nm的激光束在水、空氣、鏡片等介質(zhì)中傳播卻要損失大部分能量(例如，水對 1064 nm激光的吸收率約為25%)。因而限制了激光束的傳播距離和在水或腐蝕劑中進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化。日本東芝公司的波長為532 nm的小型激光器便是在此背景下研制出來的，但目前此種技術(shù)僅被東芝公司掌握；2) 開展應(yīng)力腐蝕、化學(xué)腐蝕研究的周期比較長，很多實驗室的成果還沒有來得及在生產(chǎn)中進(jìn)行考驗。在實際工況應(yīng)用中，影響應(yīng)力腐蝕的因素很多。而激光沖擊強(qiáng)化抑制應(yīng)力腐蝕的研究才開展20多年，很多數(shù)據(jù)還存在于實驗室中，因而在生產(chǎn)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)相對較少。用戶基于對可靠性和穩(wěn)定性的擔(dān)憂，從而推廣應(yīng)用還有很大的阻力。

圖7 激光沖擊強(qiáng)化核反應(yīng)堆噴頭[45]Fig. 7 Laser peening of nozzles in pressurized water reactor[45]

3 激光沖擊強(qiáng)化在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

生物醫(yī)用材料是一種對生物體組織、器官或功能進(jìn)行診斷、治療、增強(qiáng)或替代的材料，也即指用于醫(yī)療的能植入生命體或能與生物組織結(jié)合的一類特殊功能材料[48]。隨著科技的不斷發(fā)展與突破，對人類的康復(fù)工程起著不可估量的作用[49]。據(jù)統(tǒng)計，2001年，美國生物醫(yī)用材料的市場規(guī)模已超過1000億美元，2010年，全球40歲以下接受髖關(guān)節(jié)植入的人口約有4000萬，預(yù)計到2030年，這一數(shù)字還將翻一番。除了加快生產(chǎn)滿足預(yù)期需求外，使植入物的壽命更長、生物兼容性更好的新技術(shù)也迫切需要發(fā)展[50]。例如，美國目前有20萬個髖關(guān)節(jié)植入物(即永久植入物)，這些植入物的平均壽命約為10年，意味著患者要是在40歲時進(jìn)行了植入，患者一生需更換植入物三四次，預(yù)示著將會遭受三四次同樣的痛苦與危險，如果能將永久植入物的壽命延長，那患者可能要少遭受手術(shù)的折磨。對于植入的釘子、夾板等可降解植入物，如果延緩體液對其溶解速率，使得產(chǎn)生的氣體、水等能夠被人體吸收，同樣可減輕患者的痛苦。新興的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)能夠較好地解決植入物壽命和溶解速率的問題[51]，近年來得到了快速的發(fā)展。

圖8 脊柱植入物[52]Fig. 8 Spinal implants[52]

3.1 永久植入物強(qiáng)化

目前，常用的生物醫(yī)用金屬和合金主要有不銹鋼、鈦、鈦合金和鈷鉻合金等。它們的彈性模量、密度與天然骨接近但兩者之間仍然存在一定的差距，進(jìn)而容易引發(fā)接觸面上的力學(xué)性能不匹配。另外，金屬合金的耐腐蝕性能、耐磨損性能以及與周圍組織界面的結(jié)合力都有待進(jìn)一步提高，因而有必要對合金進(jìn)行表面改性。激光沖擊強(qiáng)化使激光沖擊區(qū)的顯微組織呈現(xiàn)位錯纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，能夠明顯提高材料表面的硬度、屈服強(qiáng)度和疲勞壽命。2010年，美國辛辛那提大學(xué)[52]對剛性脊柱植入物進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化研究，發(fā)現(xiàn)疲勞載荷比從68%提高到了75%，可提高植入物的疲勞強(qiáng)度，2012年，為獲得植入物與人體脊柱的柔性匹配，對所用的TC4鈦合金進(jìn)行了強(qiáng)化(見圖8)，實現(xiàn)了其在-160N的受力條件下，可工作 5×106個疲勞周次。同年，朱偉[53]對激光沖擊強(qiáng)化 Ti13Nb13Zr醫(yī)用鈦合金的生物摩擦和腐蝕性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)激光沖擊強(qiáng)化后的試樣的磨損機(jī)制以磨粒磨損和輕微的粘著磨損為主，顯著提高了合金表面的耐蝕耐磨性，約提高24%。利弗莫爾國家實驗室與加州大學(xué)合作，將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)用于兒童膝關(guān)節(jié)植入物的強(qiáng)化[54]。因膝關(guān)節(jié)植入物的強(qiáng)度得到了提高(提高了約 36%)，能夠更大可能的承受兒童生長體重增長引入的應(yīng)力，因而對于需要植入物的正在發(fā)育生長的兒童來講，其要承受的替換外科手術(shù)從過去的幾年就要做一次，發(fā)展到目前的近十年做一次，大大減少了病人的痛苦，并降低了手術(shù)帶入的危險。

隨著醫(yī)療水平的進(jìn)步，關(guān)節(jié)、支架等人體永久植入物的需求越來越大，各國均制定了苛刻的外科植入物生產(chǎn)實施細(xì)則，對植物的生產(chǎn)進(jìn)行嚴(yán)格管控。因而，作為新發(fā)展起來的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)真正全面用在醫(yī)療行業(yè)還有很多審批程序要走。但在不久的將來，憑借其無與比擬的優(yōu)勢將會被大范圍應(yīng)用，為患者帶來福音。

3.2 可降解植入物強(qiáng)化

很多情況下，骨折愈合后需要二次手術(shù)取出內(nèi)固定材料，這不僅給患者帶來更多痛苦、風(fēng)險，還加重了經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療資源負(fù)擔(dān)。因而，不需二次手術(shù)取出的可降解植入物也受到了科學(xué)家的青睞。鎂或鎂合金由于質(zhì)量輕、密度小，彈性模量較常用的植入物材料更接近正常骨組織，因此，可有效避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)對新骨生成和塑形的影響。鎂或鎂合金不但可在體內(nèi)降解，還能促進(jìn)骨骼生長和愈合，因而是理想的植入材料。然而，由于其具有降解速率過快、產(chǎn)氣等特點，能夠?qū)е氯梭w不良反應(yīng)。為此，科學(xué)家為控制鎂合金的降解速率，進(jìn)一步提高生物相容性，提出了化學(xué)沉積、電沉積、微弧氧化、離子注入、激光沖擊強(qiáng)化等很多表面改性方法。由于激光沖擊強(qiáng)化在不引入涂層和合金元素的情況下便可在植入物(見圖 9)表層置入殘余壓應(yīng)力降低溶解速率，故受到了醫(yī)療研究機(jī)構(gòu)的極大關(guān)注[55]。2011年，阿拉巴馬大學(xué)利用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)控制鈣鎂合金的降解速度[55]，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)激光沖擊的腐蝕速率為(17±1.2) mm/a，而經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化試樣的腐蝕速率約為0.017 mm/a，腐蝕速率降了約100倍。2012年，辛辛那提大學(xué)研究了激光沖擊強(qiáng)化對AZ91D鎂合金植入物的影響[56]，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)激光沖擊的腐蝕速率為140 mm/a，而經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化試樣的腐蝕速率約為20 mm/a，腐蝕速率降低了7倍。因此，腐蝕速率的降低將帶來產(chǎn)氣、產(chǎn)水速率的降低，達(dá)到人體可吸收的水平，從而極大地提高了生物相容性。

隨著可降解植入物的應(yīng)用量增大，也將帶來可降解植入物激光沖擊強(qiáng)化工藝的發(fā)展。它要求強(qiáng)化區(qū)域全覆蓋植入物表面，由于任何部位的應(yīng)力集中與拉應(yīng)力區(qū)域都可能對降低溶解速率帶來負(fù)面影響[57-59]，因而，需發(fā)展光斑較小靈活的激光沖擊強(qiáng)化裝置，對整個植入物表面進(jìn)行強(qiáng)化，優(yōu)化應(yīng)力場進(jìn)行分布。需研究激光沖擊強(qiáng)化對植入物表面完整性的影響，研究加工路徑、沖擊方式等工藝參數(shù)，從而控制其表面粗糙度[60]。

圖9 骨科植入物[56]Fig. 9 Orthopedic implant[56]

4 激光沖擊強(qiáng)化在精密成形領(lǐng)域中的應(yīng)用

為滿足高性能零件(微尺度器件、大型中厚板結(jié)構(gòu)件、加肋壁板等)的發(fā)展，成形技術(shù)正在向尺寸精密化且兼具性能精密化的方向發(fā)展[61]。然而，常用的沖壓、滾壓、熱壓、噴丸等技術(shù)方法不再能滿足加工要求[62-64]，而激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的出現(xiàn)正好可解決這一問題[65]。即在激光沖擊強(qiáng)化過程中，解除零件所受的部分約束，便為零件的成形提供了空間，而這種成形技術(shù)即可有效克服成形過程中的回彈問題，同時也可提高零件的抗疲勞和抗腐蝕性能，也即是一種集成形與強(qiáng)化于一體的復(fù)合工藝技術(shù)，進(jìn)而達(dá)到高性能零件控形控性的目的[66]。另外，因激光沖擊強(qiáng)化路徑軌跡、工藝參數(shù)靈活可靠，光束可分可合、單束或多束可選、光斑可大可小，因而其是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝Ц呔珶o模冷成形技術(shù)[67]，不但可成形微尺度零件，還可成形大型尺度(數(shù)平方米中厚板)零件。

4.1 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件成形

近年，MEMS在自動化、電工電子、通訊控制、生物醫(yī)療和航空航天等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[68]，市場保持著約17%的平均增長率。2012年其全球市場份額已突破了155億美元，從而帶動了微細(xì)制造技術(shù)的蓬勃發(fā)展[69]。因激光沖擊強(qiáng)化微塑成形技術(shù)具有成形精度高、效率高、無熱影響、成形的零件力學(xué)性能好等優(yōu)勢，自產(chǎn)生之日起便引起了研究者極大的興趣。早在1973年，研究人員便在試驗中實現(xiàn)了激光沖擊強(qiáng)化誘使鋁箔和不銹鋼板發(fā)生塑性變形[70-71]。 2011年，馬德里理工大學(xué)成功成形了微小梁(見圖10)[72]，發(fā)現(xiàn)變形量大小可通過沖擊次數(shù)和激光能量精確可控。2012年，普渡大學(xué)激光沖擊成形了納米線[73-74]，實現(xiàn)了納米線的精密成形，擺脫了復(fù)雜昂貴的納米壓印成形工藝。2005年，哥倫比亞大學(xué)完成了銅箔的激光沖擊強(qiáng)化微彎曲實驗和數(shù)值模擬研究[75]，實現(xiàn)了多點同時加工，保證了加工效率和成形質(zhì)量的穩(wěn)定性。2014年，江蘇大學(xué)在銅箔上也成形了規(guī)則的微坑[76]。因而，激光沖擊強(qiáng)化可對MEMS器件進(jìn)行加工生產(chǎn)。

圖10 激光沖擊強(qiáng)化成形的器件[72]Fig. 10 Laser shock formed coupons[72]

由上述可知，激光沖擊強(qiáng)化精密成形技術(shù)將會極大地促進(jìn)MEMS的快速發(fā)展，能夠?qū)EMS元器件的制造工藝從傳統(tǒng)的光刻、化學(xué)腐蝕、顯影、熱壓鍵合等昂貴復(fù)雜的工藝中解放出來(見圖11)[73]。在三維成形方面，更有獨到的優(yōu)勢，只需改變微納器件與光束的相對位置，便能直接成形三維零件，解決無模三維制造技術(shù)的難題，可有效避免傳統(tǒng)工藝制作過程中對已有結(jié)構(gòu)的損壞。另外，激光束通過分光鏡或微透鏡，可將一束光分成多種陣列組合的激光束，實現(xiàn)多點位大批量成形。由于其成形器件的表面具有壓應(yīng)力，從而更有利于微納器件的硬度、疲勞、強(qiáng)度等實用性能發(fā)揮。另外，因激光沖擊成形是一種無熱影響的無接觸的加工方式，且激光工藝參數(shù)精確可控，不會對已有的微結(jié)構(gòu)造成破壞，不會為MEMS器件帶來污染和觸碰，因而，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)將會在MEMS制造領(lǐng)域發(fā)揮重大的作用[77]。MEMS技術(shù)的發(fā)展同時也為激光沖擊技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)遇，要求激光沖擊所用的激光束的發(fā)散角更小、光斑更小，光束方向調(diào)節(jié)更靈活，因而，也為激光沖擊強(qiáng)化精密成形提出了小型化、多束光、同步加工的發(fā)展需求。

圖11 激光沖擊成形的納米線[73]Fig. 11 Laser shock formed nanowires[73]

4.2 大型壁板精密成形

金屬板料激光沖擊強(qiáng)化成形后產(chǎn)生的高幅值深殘余壓應(yīng)力層，可顯著地提高零件的疲勞壽命、強(qiáng)度和硬度。因此，特別適合于制造有性能要求的精密大型、中厚度、帶肋的壁板件[78]，如飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、核反應(yīng)堆、汽車上所用的機(jī)翼、壁板、金屬容器、覆蓋件等[79]。美國金屬改進(jìn)公司最早(2012年)將這項技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，成形了80個Boeing747-8飛機(jī)機(jī)翼鋁合金蒙皮(見圖12)，即能將10 mm厚的7075鋁合金板成形成半徑230 mm的弓形[80]，較好地滿足了大飛機(jī)機(jī)翼的生產(chǎn)需要。胡永祥利用有限元仿真的方法揭示了激光沖擊TC4鈦合金的成形過程，通過控制工藝參數(shù)可以控制板材的凸面或凹面變形[81]，即實現(xiàn)板料的正反面彎曲變形。喬紅超研究了航空發(fā)動機(jī)葉片激光沖擊成形過程中沖擊波在工件內(nèi)部傳播、反射、干涉的機(jī)制，不但實現(xiàn)了成形精度約為0.032 mm的精密成形，還解決了葉片內(nèi)部殘余應(yīng)力分布不均的問題，即在成形的基礎(chǔ)上最大限度的提高工件的力學(xué)性能[82]。后來，美國學(xué)者 HACKEL等[83]研究小組對厚度為15.9 mm的2024-T3航空鋁合金厚板進(jìn)行了激光沖擊精確成形，成形的雙向曲率皆為3.81 m的馬鞍形，說明激光沖擊強(qiáng)化精密成形技術(shù)完全可以成形厚板，解決了現(xiàn)有常用技術(shù)無法解決的問題。為此，烏克蘭安東諾夫設(shè)計局的安-70、國產(chǎn)運(yùn) 8、俄制蘇-27等飛機(jī)的壁板也正嘗試使用這項技術(shù)，解決大飛機(jī)制造中的成形問題[79]。

圖12 激光沖擊成形的機(jī)翼[80]Fig. 12 Laser shock formed wing[80]

隨ARJ21機(jī)翼整體壁板(見圖13)、航空器大型壁板等結(jié)構(gòu)件向結(jié)構(gòu)更大、型面更復(fù)雜、更厚、壁板內(nèi)部更多加強(qiáng)肋、成形曲率更大的方向發(fā)展[84]，成形變得越來越困難，成形精度越來越難保證。不但傳統(tǒng)的噴丸成形技術(shù)難以實現(xiàn)精密成形，現(xiàn)有的激光沖擊強(qiáng)化成形設(shè)備也面臨著一定的挑戰(zhàn)。主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一是光束的傳輸問題。因成形的工件尺寸較大，就要求光束傳播幾米甚至幾十米。這就要求激光器輸出的激光束發(fā)散角盡可能更小，達(dá)到 1 mrad以下，同時，光束的傳播也必將帶來能量的損失，也要求激光器輸出更大的能量。目前，傳輸中的光束直徑一般為20 mm以上，因而光束的柔性傳輸問題也需重點考慮；二是大型壁板的成形需要對激光束的能量和成形路徑進(jìn)行精確的控制。解決成形精度、成本和效率之間的矛盾，進(jìn)而需預(yù)先對成形零件進(jìn)行仿真，優(yōu)化最優(yōu)的成形工藝。因此，激光沖擊強(qiáng)化精密成形技術(shù)隨著技術(shù)的突破將會釋放更多的應(yīng)用潛力[85]。

圖13 ARJ21機(jī)翼[84]Fig. 13 ARJ21 wing[84]

5 結(jié)論

1) 隨著激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)逐步走向成熟，它在高周疲勞、腐蝕防護(hù)、生物醫(yī)療、精密成形等方面的應(yīng)用正在迅猛發(fā)展。

2) 綜述性地介紹了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的主要應(yīng)用，包括國內(nèi)外在高性能零件的制造與再制造、化學(xué)應(yīng)力腐蝕防護(hù)、醫(yī)療植入物改性、MEMS成形、大型壁板精密成形等方面的發(fā)展現(xiàn)狀。

3) 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)正在將其精準(zhǔn)的參數(shù)控制、機(jī)動靈活的加工方式等特殊性體現(xiàn)在它在應(yīng)用方面的獨到之處，因而帶來其他技術(shù)和方法所不能得到的效果和特性。

4) 除了本研究所提到的應(yīng)用以外，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)還有很多其他應(yīng)用，所有這些應(yīng)用都在進(jìn)一步促進(jìn)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展，使其更加完善。

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