高玉魁， 蔣聰盈

（同濟大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海 200082）

高玉魁

博士，同濟大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院教授和博士生導(dǎo)師，主要從事航空航天先進材料與制造技術(shù)、表面完整性和結(jié)構(gòu)完整性、殘余應(yīng)力、表層改性等研究，發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，出版專著1部。

激光沖擊強化（Laser Shock Peening，LSP）是一種利用短脈沖激光束對材料表面進行改性，提高材料的抗疲勞、磨損和應(yīng)力腐蝕性能的技術(shù)。激光沖擊強化可以同時做到在材料表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，降低表面粗糙度，提高表面硬度，改善組織結(jié)構(gòu)等效果[1]。相比于傳統(tǒng)的噴丸強化，激光沖擊強化具有非接觸、無熱影響區(qū)和強化效果突出等特點。同時，激光沖擊強化不會破壞材料表面完整性且產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場深度較深。

激光沖擊強化的發(fā)展可以追溯到20世紀60年代，當時科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，激光可以產(chǎn)生沖擊波，從而使材料表面產(chǎn)生塑性變形[2]。1972年,美國科學(xué)家Fairand等研究了激光沖擊后材料表層的微觀結(jié)構(gòu)變化和位錯，提出激光沖擊可提高7075鋁合金抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能[3]。1973～1981年,美國Battelle學(xué)院Clauer等研究了激光沖擊的工業(yè)運用，提出用激光沖擊強化來替代傳統(tǒng)的噴丸強化[4]。1987年以來，以Fabbro為首的法國科學(xué)家在法國汽車工業(yè)的支持下對激光沖擊強化技術(shù)進行了系統(tǒng)性的研究，探索了激光沖擊產(chǎn)生沖擊波的機理和模型、激光沖擊后材料性能的變化等，提出了沖擊波峰值和壓力的估算公式[5]。1999年，Braisted和Brockman首次使用數(shù)值模擬的方法來對激光沖擊強化進行分析,并用試驗方法驗證了模擬的有效性[6]。

我國對激光沖擊技術(shù)研究和應(yīng)用起步較晚，國內(nèi)首臺大功率激光裝置在1996年研制成功，但該設(shè)備只能用來單次沖擊，且可靠性不高[7]。張永康教授等對激光沖擊強化進行了一系列理論分析，研究了涂層約束層的影響等[8-9]。2009年，胡永祥教授研究激光沖擊光斑形狀的影響[10]。2012年，LUO研究了光斑搭接率對殘余應(yīng)力場分布的影響[11]。

激光沖擊強化原理

激光沖擊強化原理如圖1所示，高能激光束穿過材料表面的約束層照射到材料的吸收層上。激光發(fā)射器能在100ns內(nèi)發(fā)射出1～100J的激光束，這使得激光的能量密度可以達到kW量級[12]。吸收層材料在吸收大量的激光能量后，會產(chǎn)生高壓等離子體。由于約束層的存在，等離子體會沖擊材料表層，產(chǎn)生應(yīng)力波，從而使材料表層產(chǎn)生向兩側(cè)的塑性應(yīng)變。當沖擊結(jié)束后，由于材料內(nèi)部力的自平衡作用，材料表層會形成殘余的壓應(yīng)力。

激光沖擊強化是一個高應(yīng)變率的動力學(xué)沖擊過程。同時，由于吸收層的存在，激光不會燒傷材料表面，也不會在材料表面產(chǎn)生高溫，因此激光沖擊強化屬于冷加工。

圖1 激光沖擊原理示意圖Fig.1 Schematic of laser shock peening

激光沖擊強化工藝影響參數(shù)

激光沖擊強化是一個復(fù)雜的加工過程，涉及到物理、力學(xué)、材料學(xué)等多個學(xué)科。激光功率密度、光斑形狀和大小、光斑疊加率、吸收層和約束層的材料等都會影響強化的效果。

1 峰值壓力

激光沖擊強化是一個瞬時過程，一般在幾十ns內(nèi)完成，因此無法對激光束沖擊靶材所產(chǎn)生壓力進行準確測試和計算。目前常用的方法就是將等離子體產(chǎn)生的沖擊波以一個均布壓力場的形式進行表達。為了對沖擊波產(chǎn)生的壓強大小進行估算，F(xiàn)abbro等進行了一系列的試驗和理論推導(dǎo)，提出了靶材表面沖擊波峰值壓力估算公式[13]：

式中，P表示沖擊波產(chǎn)生的表面壓強最大值；2a表示等離子體沖擊波的能量轉(zhuǎn)換效率，由吸收層材料決定；I0表示激光沖擊的功率密度；Z表示約束層和靶材材料的總阻抗，由約束層阻抗和靶材阻抗一起決定，公式如下：

峰值壓力估算公式建立了激光沖擊功率密度和峰值壓力的關(guān)系，可以通過公式估算激光沖擊強化的峰值壓力[14]。當峰值壓力超過Hugoniot彈性極限時，材料表層即發(fā)生塑性應(yīng)變，從而引起材料表層的殘余壓應(yīng)力。Hugoniot彈性極限計算公式如下：

式中，σDY表示材料的動態(tài)屈服強度。

2 壓力時間分布

激光沖擊強化過程中壓力并不是常值，而會隨時發(fā)生變化。Fabbro等在1990年測試了沒有約束層的激光沖擊強化過程中壓力的時間演化規(guī)律，并將壓力-時間分布和激光脈寬聯(lián)系起來，如圖2所示[15]。Oros在2002年研究了多種材料在激光沖擊下的壓力-時間演化曲線，并提出壓力時間演化曲線和約束層有關(guān)，約束層可以同時提高峰值壓力值以及峰值壓力的持續(xù)時間[16]。

圖2 激光沖擊壓力-時間演化圖Fig.2 Temporal evolution of shock wave pressure

3 光斑形狀與疊加率

在激光沖擊強化過程中，光斑的形狀是可控的，常見的光斑有方形和圓形，光斑形狀的不同會影響激光沖擊后殘余應(yīng)力的分布。圓形光斑激光沖擊引起的殘余應(yīng)力是各向同性的，而方形光斑在各個方向上的殘余應(yīng)力不同。

研究表明，圓形光斑更容易引起“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象，使得強化中心殘余應(yīng)力缺失，降低強化效果[17]。

由于單次激光沖擊范圍有限，為了完整處理零件的表面，有必要對激光沖擊進行搭接。為保證殘余應(yīng)力在材料表層的均勻性，必須保證光斑在材料表層的全覆蓋。圓形光斑正方形陣列形式強化時需要覆蓋率136%,而方形光斑只需要略高于100 %，而且方形光斑搭接強化后材料表面的粗糙度比圓形光斑更有優(yōu)勢[18]。

激光沖擊強化工藝和效果

材料的腐蝕、磨損和疲勞斷裂等失效事故常常起源于表面，因此材料的表層狀態(tài)對材料的性能有重要影響[1]。激光沖擊強化會從多個方面對材料表層性質(zhì)產(chǎn)生有利影響。激光沖擊強化后的材料除了在表層有殘余壓應(yīng)力外，材料表層的組織結(jié)構(gòu)和硬度也會發(fā)生變化。

1 殘余應(yīng)力與抗疲勞性能

疲勞裂紋通常從材料的表面萌生，而表層的殘余壓應(yīng)力可以抑制裂紋的擴展，從而達到延長材料壽命甚至止裂效果[19]。因此，殘余壓應(yīng)力場的深度和數(shù)值大小常被用來評估表層改性后材料的抗疲勞性能。

常見的殘余應(yīng)力的定量測量方法有X射線衍射法，中子衍射法，鉆孔法等。其中X衍射法因其不損傷材料表面，穿透層較淺，測試技術(shù)成熟有效而被廣泛運用，美國汽車學(xué)會和日本材料學(xué)會都把X射線衍射法作為測量材料應(yīng)力的標準使用。X射線衍射法的工作原理是根據(jù)X射線與材料晶體點陣結(jié)構(gòu)發(fā)生衍射，通過度量晶體點陣的應(yīng)變來測定殘余應(yīng)力。X衍射的布拉格方程反映了晶體衍射面間距與衍射角之間的關(guān)系：

目前，常用的X射線衍射殘余應(yīng)力分析方法有一維線探法和二維面探法，圖3中的兩臺裝置就是基于這兩種原理的X衍射殘余應(yīng)力測試儀。

傳統(tǒng)的X射線衍射法采用一維探測器，通過改變測試角 ，對固定點進行多次曝光，最后對測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)擬合，計算出θ方向上的應(yīng)力值：

圖3 X衍射殘余應(yīng)力測試儀Fig.3 X-ray residual stress testing instrument

近年來開發(fā)的二維面探X射線衍射法采用二維探測器，固定測試角，對固定點進行單次曝光，得到完整的德拜環(huán)，如圖4所示，最后分析德拜環(huán)上不同的衍射角峰值變化，根據(jù)公式得到方向上的應(yīng)力值：

圖4 X衍射二維面探得到的德拜環(huán)Fig.4 Debye ring using X-ray 2-dimension detector

二維面探得到的完整德拜環(huán)，不僅可以進行應(yīng)力的計算分析，而且可以反映物質(zhì)的一些微觀特征，如晶體特征以及晶粒取向等。圖5中顯示了X射線衍射法測得的激光處理強化后的鋁合金表層殘余應(yīng)力沿深度的分布[20]。隨著沖擊次數(shù)的增加，殘余壓應(yīng)力深度也會增加。沖擊次數(shù)超過兩次后，材料表層殘余壓應(yīng)力深度超過2mm，而傳統(tǒng)的噴丸強化引起的殘余壓應(yīng)力深度一般不超過0.5mm。殘余應(yīng)力深度較深是激光沖擊強化優(yōu)于傳統(tǒng)噴丸的主要方面，較深的殘余應(yīng)力層意味著更強的抗疲勞性能。

激光沖擊強化、噴丸強化以及未經(jīng)表面處理的鋁合金材料的S-N，如圖6所示[21]。噴丸強化以及激光沖擊強化都可以提高鋁合金材料的疲勞極限和疲勞壽命，而且激光沖擊強化比噴丸強化效果更佳。對包含初始裂紋的材料，激光沖擊強化也可以降低裂紋的擴展速率[22]，這使得激光沖擊強化在零件的維修和再制造方面有著巨大的潛能。圖7比較了激光沖擊強化前后裂紋的擴展速率，從圖7中可以看到，雖然材料有1mm的初始裂紋，但是在激光沖擊強化后此裂紋不會擴展至2mm以上[22]。

2 表面粗糙度，微觀組織與屈服強度變化

在單個光斑的激光沖擊強化下，材料表面的粗糙度會減小，這對材料強化是有利的。當材料需要多個小光斑的疊加強化時，材料表面的粗糙度會增加，這與光斑的形狀以及疊加率有關(guān)。對于多個光斑的疊加來說，方形光斑比圓形光斑對減小表面粗糙度更有優(yōu)勢。

激光沖擊強化不同于常規(guī)的噴丸強化等方式，在等離子體的高壓沖擊下，材料表面的應(yīng)變率可以達到106s-1以上，在這個超高的應(yīng)變率下，材料表層位錯密度增加，組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，形成多種強化的亞細結(jié)構(gòu)，從而提高了表面強化層的失效抗力。同時激光沖擊強化會使材料表層形變產(chǎn)生硬化，表面層的屈服強度提高，失效抗力提高。

ZHANG Y等發(fā)現(xiàn)激光沖擊強化可以細化鎂合金的晶粒，實現(xiàn)Mg合金的表面納米化，如圖8所示。隨著激光沖擊次數(shù)的增加，Mg合金的晶粒會不斷細化[23]。CHE Zhigang等發(fā)現(xiàn)了激光沖擊強化后TC4鈦合金材料的自納米效應(yīng)[24]。

圖5 激光沖擊后殘余壓應(yīng)力場沿深度分布Fig.5 Distribution of compressive residual stress field caused by laser shot peening

圖6 噴丸、激光沖擊強化和未處理的鋁合金S-N曲線Fig.6 S-N curve of SP, LSP and untreated Al alloy

圖7 激光沖擊前后鈦合金a-N曲線Fig.7 Crack length (a) vs. cycles (N) curves before and after LSP for Ti alloy

激光沖擊強化的數(shù)值模擬

激光沖擊強化過程復(fù)雜，影響因素多，因此激光沖擊強化的定量分析一般都會借助于數(shù)值方法來完成。在確定了激光沖擊過程的壓力時間曲線后，就可以通過有限元軟件來進行激光沖擊模擬。

激光沖擊強化的ABAQUS有限元模型，為了提高計算效率，建立了激光沖擊的1/4模型。為了消除沖擊波在邊界上的反射，在有限元網(wǎng)格周圍包圍上一圈無限元網(wǎng)格，在沖擊的對稱面，建立對稱邊界條件，紅色區(qū)域為激光沖擊區(qū)域。

建立有限元模型后，輸入激光沖擊強化的壓力-時間曲線，并輸入材料的彈塑性本構(gòu)方程，就能用ABAQUS/Explicit對激光沖擊過程進行模擬。在模擬結(jié)束后，采用ABAQUS/Standard進行回彈分析，回彈結(jié)束后就能模擬得到殘余應(yīng)力延材料各個方向的分布。圖9展示了不同壓力峰值下高溫鎳基合金GH4169激光沖擊強化后殘余應(yīng)力沿深度方向的分布。

激光沖擊強化的工程應(yīng)用

雖然激光沖擊強化的理論研究已有50多年，但是其工程應(yīng)用是從20世紀90年代在美國開始興起的，這主要是由于傳統(tǒng)的強脈沖激光裝置造價高昂、重復(fù)頻率低。1995年，Jeff Dulaney 博士創(chuàng)建了世界上第一家從事激光處理技術(shù)應(yīng)用公司，并在1997年建成第一套用于商業(yè)應(yīng)用的激光沖擊處理設(shè)備。1998年美國研發(fā)雜志將激光沖擊處理評為全美100項最重要的先進技術(shù)之一。1998 年后, 美國GE 公司已開始利用激光對渦輪風(fēng)扇葉片和F110-GE-100、F110-GE-129 的風(fēng)扇第 I級工作葉片進行沖擊強化。2004年LSP 技術(shù)被用于F119-PW-100 發(fā)動機生產(chǎn)線，到2009年，75%的F119發(fā)動機高壓壓氣機整體葉盤都經(jīng)過了激光沖擊處理。2003 年LSP 技術(shù)被美聯(lián)邦航空局（FAA）和日本亞細亞航空（JAA）批準為飛機關(guān)鍵件維修技術(shù)。美國在2004 年正式頒布了LSP 操作規(guī)范，當年這項技術(shù)還被應(yīng)用于波音777民用飛機的葉片處理。激光沖擊強化技術(shù)的成功運用，為美國節(jié)約了許多成本，預(yù)計僅僅戰(zhàn)斗機發(fā)動機葉片的處理就能節(jié)約超過10億美元。2012年，美國金屬改進公司生產(chǎn)了移動式激光沖擊強化設(shè)備，可以實現(xiàn)移動式的激光沖擊強化。激光沖擊強化除了在航空航天上有較好的運用，還在核廢料處理、汽車、醫(yī)療、船舶等產(chǎn)業(yè)上發(fā)揮巨大的作用。

圖8 AZ31B鎂合金表面顯微照片F(xiàn)ig.8 OM micrographs on the surface of the AZ31B Mg alloy

圖9 不同壓力峰值下殘余應(yīng)力沿深度方向的分布Fig.9 Distribution of residual stress in depth with different peak pressure

國內(nèi)研究者及對激光沖擊強化的工業(yè)運用進行了系列研究。2008年，西安空軍工程大學(xué)研制成功連續(xù)脈沖激光沖擊強化設(shè)備。2011年，中科院沈陽自動化團隊向沈陽黎明發(fā)動機有限公司交付首臺整體葉盤激光沖擊強化設(shè)備，填補了我國無工業(yè)應(yīng)用激光沖擊強化設(shè)備的空白。

結(jié)束語

激光沖擊強化作為一種新型表層改性工藝，在多方面顯示出比傳統(tǒng)噴丸強化的優(yōu)勢，在某些零部件的強化上可以逐步替代傳統(tǒng)的噴丸工藝。隨著激光器制造工藝日漸成熟,特別是隨著大型結(jié)構(gòu)激光沖擊強化高效化研究的深入，以及激光沖擊強化過程的模擬仿真及測試評價方法的制定，這項技術(shù)必將在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用, 尤其是在航空航天領(lǐng)域。

[1]高玉魁. 表面完整性理論與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.GAO Yukui. Theory and application of surface integrity [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2014.

[2]NEUMAN F. Momentum transfer and cratering effects produced by giant laser pulses [J].Applied Physics Letters, 1964, 4(9): 167-169.

[3]FAIRAND B P, WILCOX B A,GALLAGHER W J, et al. Laser shock-induced microstructural and mechanical property changes in 7075 aluminum[J]. Journal of Applied Physics,1972, 43(9): 3893-3895.

[4]CLAUER A H, HOLBROOK J H,FAIRAND B P. Effects of laser induced shock waves on metals[M].Shock Waves and High-Strain-Rate phenomena In Metals, Springer US,1981.

[5]PEYRE P, FABBRO R. Laser shock processing: a review of the physics and applications[J]. Optical and Quantum Electronics,1995, 27(12): 1213-1229.

[6]BRAISTED W, BROCKMAN R. Finite element simulation of laser shock peening[J].International Journal of Fatigue, 1999, 21(7):719-724.

[7]高建民. 我國首臺激光沖擊強化裝置問世[J]. 高技術(shù)通訊,1996(9):32.

GAO Jianmin. Chinese First LSP Device is Published[J]. High Technology Letters,1996(9):32.

[8]張永康, 周建忠, 葉云霞. 激光加工技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

ZHANG Yongkang, ZHOU Jianzhong, YE Yunxia. Laser processing technology[M]. Beijing:Chemical Industry Press, 2014.

[9]ZHANG X C, ZHANG Y K, LU J Z,et al. Improvement of fatigue life of Ti-6Al-4V alloy by laser shock peening[J]. Materials Science and Engineering: A, 2010, 527(15):3411-3415.

[10]HU Y, GONG C, YAO Z, et al.Investigation on the non-homogeneity of residual stress field induced by laser shock peening[J].Surface and Coatings Technology, 2009, 203(23):3503-3508.

[11]LUO K Y, LU J Z, WANG Q W, et al.Residual stress distribution of Ti-6Al-4V alloy under different ns-LSP processing parameters[J].Applied Surface Science, 2013, 285: 607-615.

[12]MONTROSS C S, WEI T, YE L,et al. Laser shock processing and its effects on microstructure and properties of metal alloys: a review[J]. International Journal of Fatigue, 2002,24(10): 1021-1036.

[13]FABBRO R, FOURNIER J,BALLARD P, et al. Physical study of laserproduced plasma in confined geometry[J]. Journal of Applied Physics, 1990, 68(2): 775-784.

[14]GUJBA A K, MEDRA J M. Laser peening process and its impact on materials properties in comparison with shot peening and ultrasonic impact peening[J]. Materials, 2014,7(12): 7925-7974.

[15]FABBRO R, FOURNIER J, BALLARD P, et al. Physical study of laser-produced plasma in confined geometry[J]. Journal of Applied Physics, 1990, 68(2): 775-784.

[16]OROS C. Investigations involving shock waves generation and shock pressure measurement in direct ablation regime and confined ablation regime[J]. Shock Waves, 2002,11(5): 393-397.

[17]ZIWEN C, ZHIGANG C, SHIKUN Z.Simulation Study of Stress Hole on Laser Shock Peening with Square Spot[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2013, 42: 222-225.

[18]鄒世坤, 郭恩明, 李斌. 發(fā)動機整體葉盤的激光沖擊強化技術(shù)[J]. 中國激光,2011, 38(6): 76-82.

ZOU Shikun, GUO Enming, LI Bin,al. Laser shock peening laser peening of turbine engine integrally blade rotor[J]. Chinese Journal of Laser,2011, 38(6): 76-82.

[19]GAO Y K, WU X R. Experimental investigation and fatigue life prediction for 7475-T7351 aluminum alloy with and without shot peening-induced residual stresses[J]. Acta Materialia, 2011, 59(9): 3737-3747.

[20]GAO Y K. Improvement of fatigue property in 7050-T7451 aluminum alloy by laser peening and shot peening[J]. Materials Science and Engineering: A, 2011, 528(10): 3823-3828.

[21]PEYRE P, FABBRO R, MERRIEN P,et al. Laser shock processing of aluminium alloys.Application to high cycle fatigue behaviour[J].Materials Science and Engineering: A, 1996,210(1): 102-113.

[22]RUSCHAU J J, JOHN R,THOMPSON S R, et al. Fatigue crack nucleation and growth rate behavior of laser shock peened titanium[J]. International Journal of Fatigue,1999, 21: S199-S209.

[23]ZHANG Y, YOU J, LU J, et al. Effects of laser shock processing on stress corrosion cracking susceptibility of AZ31B magnesium alloy[J]. Surface and Coatings Technology, 2010,204(24): 3947-3953.

[24]CHE Zhigang, JIE Y, SHUILI G, et al. Self-nanocrystallization of Ti-6Al-4v alloy surface induced by laser shock processing[J].Rare Metal Materials and Engineering, 2014,43(5): 1056-1060.