湖北工業(yè)大學(xué) 付宏濤

激光等離子體沖擊強(qiáng)化研究進(jìn)展

湖北工業(yè)大學(xué) 付宏濤

本文綜述了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的機(jī)理和模型，分析了激光沖擊強(qiáng)化的技術(shù)特點(diǎn)和影響因素，論述了激光沖擊強(qiáng)化在生產(chǎn)中的運(yùn)用，并且探討激光沖擊強(qiáng)化與激光沖擊成形、激光噴丸成形之間的區(qū)別，展望了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用前景。

激光沖擊強(qiáng)化；表面改性；應(yīng)用

0 引言

近年來(lái)，激光等離子體沖擊強(qiáng)化研究進(jìn)展十分迅速。和其它表面強(qiáng)化技術(shù)相比較，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)具有如下鮮明特點(diǎn)：（1）高壓，沖擊波的壓力達(dá)到數(shù)GPa，乃至TPa量級(jí)，這是常規(guī)的機(jī)械加工難以達(dá)到的；（2）高能，激光束單脈沖能量達(dá)到幾十焦耳，峰值功率達(dá)到GW量級(jí)，在10～20n s內(nèi)將光能轉(zhuǎn)變成沖擊波機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)了能量的高效利用。并且由于激光器的重復(fù)頻率只需幾H z以下，整個(gè)激光沖擊系統(tǒng)的負(fù)荷僅僅30kW左右，是低能耗的加工方式；（3）超高應(yīng)變率，沖擊波作用時(shí)間僅僅幾十納秒。這使得激光等離子體沖擊強(qiáng)化技術(shù)本身具備極大的研究?jī)r(jià)值。激光沖擊強(qiáng)化與其它沖擊波作用于工件的激光沖擊成形和激光噴丸技術(shù)都是利用激光誘導(dǎo)的，激光沖擊波是它們的工作之源。它們之間既有聯(lián)系又有區(qū)別：（1）激光沖擊成形是在激光沖擊強(qiáng)化研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。激光沖擊強(qiáng)化是以提高工件表面質(zhì)量為目標(biāo)，同時(shí)在工件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，防止板料發(fā)生翹曲等宏觀變形。而激光沖擊成形是為了實(shí)現(xiàn)板料的塑性變形，盡管沖擊后沖擊區(qū)表面的粗糙度降低，但這只是附帶結(jié)果，并不是最終目的；（2）激光噴丸成形是在激光沖擊強(qiáng)化和機(jī)械噴丸的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，它與沖擊強(qiáng)化的主要區(qū)別是最終目的不同。噴丸成形的目的是要求得到一定分布的應(yīng)力場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)板料的宏觀變形；而沖擊強(qiáng)化的目的是在提高工件表面質(zhì)量的同時(shí)還要防止板料發(fā)生翹曲等宏觀變形。

1 研究歷史

早在20世紀(jì)60年代人們就發(fā)現(xiàn)了激光脈沖可以產(chǎn)生沖擊波，研究表明，隨著沖擊波持續(xù)作用，可以在金屬表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料屈服強(qiáng)度。隨后美國(guó)和法國(guó)都先后利用激光沖擊波效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行表面改性，以取代傳統(tǒng)的噴丸和深滾壓技術(shù)，這就是激光沖擊強(qiáng)化技術(shù) 。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)最初開發(fā)于20世紀(jì)70年代初的美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室，我國(guó)著名物理學(xué)家錢臨照教授早在60年代也提出過(guò)這方面的思想。1972年，美國(guó)巴特爾學(xué)院（Battelle Memorial Institute）的 Fairand B.P.等人首次用高功率脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波來(lái)改變7075鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)組織以提高其機(jī)械性能，從此揭開了用激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用研究的序幕。1978年秋，該實(shí)驗(yàn)室的Ford S.C等人與美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合，進(jìn)行激光沖擊改善緊固件疲勞壽命的研究，結(jié)果表明激光沖擊強(qiáng)化可大幅度提高緊固件的疲勞壽命。當(dāng)時(shí)由于缺少可靠的、高脈沖頻率的大功率激光器而未能實(shí)用化。

進(jìn)入21世紀(jì)之后，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。美國(guó)空軍為提高激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)效率做出了很大的努力，設(shè)置了4個(gè)重要的制造技術(shù)計(jì)劃（Air Force Manufacturing Technology Programs），取得了許多重要進(jìn)展，解決了提高激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)效率和可移動(dòng)式生產(chǎn)等工業(yè)應(yīng)用問(wèn)題，極大地促進(jìn)了激光等離子體研究的迅速發(fā)展。

2 激光等離子體沖擊波機(jī)理

當(dāng)激光輻照到靶材表面時(shí)，由于材料表面對(duì)激光的吸收作用，使得表面溫度升高。當(dāng)表面溫度達(dá)到材料的熔點(diǎn)時(shí)，將發(fā)生熔融現(xiàn)象。激光對(duì)材料持續(xù)作用，材料表面溫度不斷升高，當(dāng)材料表面溫度達(dá)到汽化溫度時(shí)，表面將發(fā)生汽化燒蝕現(xiàn)象。如果蒸汽粒子繼續(xù)吸收激光能量，蒸汽溫度繼續(xù)升高，最后將導(dǎo)致蒸汽分子電離，形成一種高溫高壓的等離子體。該等離子體吸收后續(xù)激光能量對(duì)外膨脹爆炸，從而形成沖擊波。根據(jù)激光形式不同和激光功率密度的不同，激光沖擊波的壓力峰值范圍從pa到Tpa，折算到每平方微米范圍內(nèi)，沖擊力范圍可從P N到N，沖擊波作用時(shí)間可以從飛秒到毫秒量級(jí)。形成沖擊波的方法可以分為兩類：非約束型和約束型。非約束型是指讓等離子體不受外界約束自由向四周膨脹。而約束型是在成形工件和工件表面增加透明約束層 （如：流水、K 9玻璃），抑制爆炸產(chǎn)生的等離子層向外擴(kuò)散，使之產(chǎn)生的沖擊波全部作用于工件，提高沖擊波的壓力（一般可提高10倍）。

3 激光沖擊強(qiáng)化

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是高功率密度（GW／cm2）、短脈沖（ns）的激光束與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波來(lái)改變材料表面物理及機(jī)械性能的技術(shù)。在激光沖擊波產(chǎn)生后迅速膨脹的等離子體被限制在金屬表面和約束層之間，產(chǎn)生一個(gè)向試樣內(nèi)部傳播的強(qiáng)沖擊壓縮波σ1。該沖擊壓縮波對(duì)靶材正面產(chǎn)生強(qiáng)化作用。

激光沖擊強(qiáng)化類似于彈丸噴丸 ，只是把彈丸換作激光脈沖。激光沖擊強(qiáng)化使表層產(chǎn)生微小的塑性拉伸變形，強(qiáng)化后材料彈性恢復(fù)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。研究表明，激光沖擊強(qiáng)化鋁合金后，大小約為材料屈服強(qiáng)度70%～80%的殘余壓應(yīng)力可以深入材料表層1～2mm，因此材料的耐疲勞強(qiáng)度和壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械噴丸和深滾壓技術(shù)。與傳統(tǒng)的機(jī)械處理方法相比，激光沖擊強(qiáng)化后粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于機(jī)械噴丸；鋁合金緊固件的磨損疲勞強(qiáng)度可以提高2倍 ；激光沖擊強(qiáng)化后 ，板料產(chǎn)生密集、均勻以及穩(wěn)定的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)密度增高，使材料屈服強(qiáng)度提高，并阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，增大了裂紋產(chǎn)生的阻力，不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂問(wèn)題可以通過(guò)激光沖擊強(qiáng)化處理 ，且奧氏體鋼比馬氏體鋼效果更明顯；殘余壓應(yīng)力使試樣表層產(chǎn)生硬化 ，距離試樣表層越遠(yuǎn) ，硬化程度越小。激光沖擊強(qiáng)化后，材料的微觀組織得到改善，耐腐蝕性能和疲勞強(qiáng)度提高，有效地改善了材料的綜合機(jī)械性能。

4 激光沖擊強(qiáng)化模型

激光沖擊強(qiáng)化模型包括沖擊波壓力模型 、殘余應(yīng)力模型以及應(yīng)力－應(yīng)變輸出模型。沖擊波壓力模型有很多，他們都認(rèn)為激光輻射均勻 ，所以沖擊波在約束介質(zhì)和靶材中的傳播是一維的，如 Morals在激光沖擊強(qiáng)化中采用一維壓力近似估算公式及計(jì)算沖擊波壓力。為了提高估算模型精度Zhang考慮了等離子體內(nèi)能和等離子體膨脹半徑的影響 ，提出了新的沖擊壓力估算模型。

對(duì)殘余應(yīng)力的分析大多采用有限元方法，Braisted首次引入有限元方法計(jì)算激光沖擊強(qiáng)化殘余應(yīng)力，隨后提出了軸對(duì)稱模型用以計(jì)算激光噴丸產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，在模型中綜合考慮了壓力衰減、材料彈塑性以及材料沖擊屈服強(qiáng)度曲線，此模型與12C r鋼和7075－T 7351鋁合金的試驗(yàn)結(jié)果符合良好.H u等人采用簡(jiǎn)化模型模擬重疊沖擊強(qiáng)化的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布。Morales等人提出了殘余應(yīng)力優(yōu)化系統(tǒng)，將殘余應(yīng)力場(chǎng)與激光參數(shù)之間形成定量關(guān)系，以其達(dá)到最佳強(qiáng)化效果。

在激光沖擊強(qiáng)化中，沖擊波壓力是隨著時(shí)間變化的幅值，應(yīng)變率很高，可達(dá)106s－1，所以在模型中引入以下假設(shè)：材料是理想彈塑性體，所有的塑性變形發(fā)生在統(tǒng)一應(yīng)變率下。在計(jì)算激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)力時(shí)有必要引入溫度場(chǎng)的影響，同時(shí)溫度場(chǎng)對(duì)表層能量吸收率有影響，Thorslund等人提出考慮激光輻射和溫度在工件上分布的溫度模型，與實(shí)際輻射量相比，輻射率對(duì)材料溫度的影響

更大。

5 激光沖擊強(qiáng)化的影響因素

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)可以大大提高材料的疲勞性能和耐磨性能，并且成功用于航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)外研究人員越來(lái)越多地關(guān)注激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)工藝研究。激光沖擊強(qiáng)化效果的影響因素主要有激光參數(shù)、能量吸收層和約束層、材料等。

5.1 激光參數(shù)

5.1.1 激光功率密度

Fabbro等人提出了沖擊波峰值壓力與激光功率密度之間的關(guān)系

P＝A［（α／2α＋3）Z I］1／2

式中，A－常量；Z－材料和約束層的沖擊波阻抗；I－激光功率密度；

從式中看出，在材料和約束層一定的情況下，激光功率密度越大，沖擊波的峰值壓力越大。Z h o u等人也在最近對(duì)等離子研究中發(fā)現(xiàn)，激光功率密度與產(chǎn)生等離子體寬度存在著非線性增長(zhǎng)關(guān)系。

5.1.2 激光脈沖

激光脈寬的大小對(duì)金屬材料的沖擊強(qiáng)化效果至關(guān)重要。激光沖擊強(qiáng)化后的塑性變形層深度、表面殘余壓應(yīng)力均與激光脈寬有關(guān)，采用較大的激光脈沖寬度可獲得較好的強(qiáng)化效果。然而過(guò)大的激光脈沖寬度極易造成金屬材料表面的熱損傷，降低激光沖擊處理的效果。

5.2 能量吸收層和約束層

能量吸收層產(chǎn)生等離子體，約束層延長(zhǎng)等離子體的噴射時(shí)間，增加了沖擊壓力和作用時(shí)間。

5.2.1 能量吸收層

能量吸收層（如黑漆、鋁箔）對(duì)強(qiáng)化效果的影響基本可以歸結(jié)為，它與靶材的熱物性行為之間的差別，這種差別使等離子體產(chǎn)生膨脹、爆炸成為可能，所以在有涂層時(shí)，激光沖擊波的形成實(shí)際上取決于涂層與激光之間的作用。Zhang等人采用改進(jìn)的黑漆涂層進(jìn)行激光連續(xù)沖擊，發(fā)現(xiàn)其防護(hù)效果和抗剝離能力效果明顯。

5.2.2 約束層

約束層對(duì)沖擊強(qiáng)化效果的影響比較明顯，延長(zhǎng)了等離子體的噴射時(shí)間，增加了沖擊壓力和沖擊時(shí)間。約束層主要采用K 9光學(xué)玻璃、有機(jī)玻璃、硅膠、合成樹脂和水等。玻璃類約束層對(duì)沖擊壓力提升效果最明顯，但僅適用于平面加工，且易碎，難于清理；硅膠和合成樹脂與靶材結(jié)合力小 ，且難以重復(fù)利用；水約束層的優(yōu)點(diǎn)是廉價(jià)、清潔、重復(fù)效果好，可用于加工曲面，而且流動(dòng)的水約束層可以帶走等離子體爆炸后的固體粉塵顆粒，這些優(yōu)勢(shì)是其他所有約束介質(zhì)無(wú)法取代的。Zhang等人發(fā)現(xiàn)分別采用黑漆和水作為吸收層和約束層會(huì)起到更好的沖擊效果。同時(shí)采用水作為約束層存在缺點(diǎn)：剛性差異導(dǎo)致約束效果不及玻璃；高功率下易產(chǎn)生擊穿等離子體；高沖擊頻率下，水層飛濺，光路上的水珠和水霧對(duì)激光形成散射。在使用水作為約束層時(shí)，采用行之有效的工藝方法，準(zhǔn)確控制約束層厚度，保證水流均勻，以避免沖擊處有水波紋等仍是今后研究的重點(diǎn)。

5.3 材料

材料的不同，沖擊強(qiáng)化的效果也隨著不同，陳等人對(duì)3種不同材料進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，發(fā)現(xiàn)其硬度和耐磨性都得到顯著提高，但提高程度不同。

6 激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用研究

激光沖擊強(qiáng)化是利用強(qiáng)激光誘導(dǎo)的高達(dá)數(shù)G帕的沖擊波壓力使材料表層發(fā)生微觀塑性變形，形成殘余壓應(yīng)力層，從而有效地改善了金屬材料的機(jī)械性能，特別能大幅度提高材料的疲勞壽命、抗應(yīng)力腐蝕性能。具有如下的特點(diǎn)：（1）高壓、高應(yīng)變率。沖擊波峰壓力達(dá)到數(shù)萬(wàn)個(gè)大氣壓 ；應(yīng)變率達(dá)到107s－1，比噴丸強(qiáng)化高出萬(wàn)倍，比爆炸高出百倍。（2）超快。塑性變形時(shí)間僅僅幾十納秒。（3）無(wú)機(jī)械和熱應(yīng)力損傷。激光沖擊強(qiáng)化后的金屬表面不產(chǎn)生畸變和機(jī)械損傷，而且激光脈沖短，只有幾十納秒，瞬間完成與沖擊過(guò)程，且大部分能量被能量吸收層吸收，傳到金屬表面的熱量很少，所以無(wú)熱應(yīng)力損傷。

1972年,美國(guó)巴特爾學(xué)院(Battelle Memorial Institute)的Fairand B.P.等人首次用高功率脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波來(lái)改變7075鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)組織以提高其機(jī)械性能,從此揭開了用激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用研究的序幕?1978年秋,該實(shí)驗(yàn)室的Ford S.C等人與美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合,進(jìn)行激光沖擊改善緊固件疲勞壽命的研究,結(jié)果表明激光沖擊強(qiáng)化可大幅度提高緊固件的疲勞壽命?當(dāng)時(shí)由于缺少可靠的?高脈沖頻率的大功率激光器而未能實(shí)用化?20世紀(jì)80年代后期,歐洲?日本?以色列等國(guó)家和地區(qū)紛紛開展了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究?但從公開報(bào)道的資料看,到目前為止,國(guó)際上還只有美國(guó)將激光沖擊強(qiáng)化實(shí)際應(yīng)用?20世紀(jì)90年代在美國(guó)高頻疲勞研究國(guó)家計(jì)劃等支持下,美國(guó)利佛莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和GE?MIC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)備的研究,使激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)獲得了很大發(fā)展,逐步走向了實(shí)用,用于F110?F101?F414等發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)和修理?其中,F110?F101發(fā)動(dòng)機(jī)在使用中發(fā)生多次風(fēng)扇葉片故障,迫使F101每飛25小時(shí)和F110每天第一次飛行前要做一次能夠發(fā)現(xiàn)0.127mm裂紋的精細(xì)檢查,采用激光沖擊強(qiáng)化解決了這一問(wèn)題?進(jìn)入21世紀(jì)之后,激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展?美國(guó)空軍為提高激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)效率作出了很大的努力,設(shè)置了4個(gè)重要的制造技術(shù)計(jì)劃(Air Force Manufacturing Technology Programs),取得了許多重要進(jìn)展,解決了提高激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)效率和可移動(dòng)式生產(chǎn)等工業(yè)應(yīng)用問(wèn)題?2002年以來(lái),美國(guó)已將激光沖擊強(qiáng)化大規(guī)模用于航空部件的制造和修理中,例如,美國(guó)MIC公司將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)用于軍民用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片以改善其疲勞壽命,不但提高了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠性,而且每月可節(jié)約飛機(jī)保養(yǎng)費(fèi)幾百萬(wàn)美元?節(jié)約零件更換費(fèi)幾百萬(wàn)美元?美國(guó)預(yù)計(jì)僅僅戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的處理,就能節(jié)約成本超過(guò)10億美元?2003年,美聯(lián)邦航空局(FAA)和日本亞細(xì)亞航空(JAA)將激光沖擊強(qiáng)化批準(zhǔn)為飛機(jī)關(guān)鍵件維修技術(shù),當(dāng)年這項(xiàng)技術(shù)即被用于波音777飛機(jī)的零部件處理?2004年,美國(guó)激光沖擊技術(shù)公司(LSP Technologies,Inc.,LSPT)與美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室開展了F/A-22上F119發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金損傷葉片激光沖擊強(qiáng)化修復(fù)研究,對(duì)具有微裂紋?疲勞強(qiáng)度不夠的損傷葉片,經(jīng)過(guò)激光沖擊處理后,疲勞強(qiáng)度為413.7MPa,完全滿足葉片使用的設(shè)計(jì)要求379MPa,取得了巨大成功?此外,對(duì)葉片楔形根部進(jìn)行激光沖擊處理后,其微動(dòng)疲勞壽命至少提高25倍以上?目前,激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)已大量用于F119-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤等部件的生產(chǎn)?LSP公司還提出了對(duì)飛機(jī)蒙皮鉚接結(jié)構(gòu)強(qiáng)化的專利,應(yīng)用可移動(dòng)激光設(shè)備在飛機(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉚接后的鉚釘及其周圍強(qiáng)化,效果明顯?從2005年開始美國(guó)又將激光沖擊強(qiáng)化逐步擴(kuò)大到大型汽輪機(jī)?水輪機(jī)葉片以及石油管道?汽車關(guān)鍵零部件等的處理?據(jù)報(bào)道僅石油管道焊縫的處理就能達(dá)到10億美元以上的收益?

7 結(jié)論

結(jié)合目前激光沖擊成形研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，認(rèn)為激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)要進(jìn)入大規(guī)模的工程應(yīng)用，尚需在以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入的研究：（1）一些激光沖擊強(qiáng)化理論仍需明確，主要是強(qiáng)化的第一階段，高能量激光作用（能量吸收層 、約束層 、激光光斑 、重疊激光脈沖和熱作用對(duì)強(qiáng)化效果的影響等等 ）。（2）由于在激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中，很難把握激光沖擊波與金屬靶材的作用進(jìn)程，急需一種能夠在線監(jiān)測(cè)和控制強(qiáng)化過(guò)程的沒備。（3）目前既能夠達(dá)到工業(yè)需求（如高激光能量 、短脈沖 、高重復(fù)頻率 ），又能滿足經(jīng)濟(jì)承受能力的激光器還很少。

2012－01－07）