高玉魁， 蔣聰盈

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

高玉魁

博士，同濟(jì)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(jìn)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(zhuān)著1部。

激光沖擊強(qiáng)化（Laser Shock Peening，LSP）是一種利用短脈沖激光束對(duì)材料表面進(jìn)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(qiáng)化可以同時(shí)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(qiáng)化，激光沖擊強(qiáng)化具有非接觸、無(wú)熱影響區(qū)和強(qiáng)化效果突出等特點(diǎn)。同時(shí)，激光沖擊強(qiáng)化不會(huì)破壞材料表面完整性且產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場(chǎng)深度較深。

激光沖擊強(qiáng)化的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)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(guó)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(cuò)，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(guó)Battelle學(xué)院Clauer等研究了激光沖擊的工業(yè)運(yùn)用，提出用激光沖擊強(qiáng)化來(lái)替代傳統(tǒng)的噴丸強(qiáng)化[4]。1987年以來(lái)，以Fabbro為首的法國(guó)科學(xué)家在法國(guó)汽車(chē)工業(yè)的支持下對(duì)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，探索了激光沖擊產(chǎn)生沖擊波的機(jī)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(lái)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行分析,并用試驗(yàn)方法驗(yàn)證了模擬的有效性[6]。

我國(guó)對(duì)激光沖擊技術(shù)研究和應(yīng)用起步較晚，國(guó)內(nèi)首臺(tái)大功率激光裝置在1996年研制成功，但該設(shè)備只能用來(lái)單次沖擊，且可靠性不高[7]。張永康教授等對(duì)激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)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(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)分布的影響[11]。

激光沖擊強(qiáng)化原理

激光沖擊強(qiáng)化原理如圖1所示，高能激光束穿過(guò)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(dá)到kW量級(jí)[12]。吸收層材料在吸收大量的激光能量后，會(huì)產(chǎn)生高壓等離子體。由于約束層的存在，等離子體會(huì)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(dāng)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(huì)形成殘余的壓應(yīng)力。

激光沖擊強(qiáng)化是一個(gè)高應(yīng)變率的動(dòng)力學(xué)沖擊過(guò)程。同時(shí)，由于吸收層的存在，激光不會(huì)燒傷材料表面，也不會(huì)在材料表面產(chǎn)生高溫，因此激光沖擊強(qiáng)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(qiáng)化工藝影響參數(shù)

激光沖擊強(qiáng)化是一個(gè)復(fù)雜的加工過(guò)程，涉及到物理、力學(xué)、材料學(xué)等多個(gè)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(huì)影響強(qiáng)化的效果。

1 峰值壓力

激光沖擊強(qiáng)化是一個(gè)瞬時(shí)過(guò)程，一般在幾十ns內(nèi)完成，因此無(wú)法對(duì)激光束沖擊靶材所產(chǎn)生壓力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試和計(jì)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(gè)均布?jí)毫?chǎng)的形式進(jìn)行表達(dá)。為了對(duì)沖擊波產(chǎn)生的壓強(qiáng)大小進(jìn)行估算，F(xiàn)abbro等進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)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(qiáng)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(guò)公式估算激光沖擊強(qiáng)化的峰值壓力[14]。當(dāng)峰值壓力超過(guò)Hugoniot彈性極限時(shí)，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(jì)算公式如下：

式中，σDY表示材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度。

2 壓力時(shí)間分布

激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中壓力并不是常值，而會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化。Fabbro等在1990年測(cè)試了沒(méi)有約束層的激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中壓力的時(shí)間演化規(guī)律，并將壓力-時(shí)間分布和激光脈寬聯(lián)系起來(lái)，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(shí)間演化曲線，并提出壓力時(shí)間演化曲線和約束層有關(guān)，約束層可以同時(shí)提高峰值壓力值以及峰值壓力的持續(xù)時(shí)間[16]。

圖2 激光沖擊壓力-時(shí)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(qiáng)化過(guò)程中，光斑的形狀是可控的，常見(jiàn)的光斑有方形和圓形，光斑形狀的不同會(huì)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(gè)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(qiáng)化中心殘余應(yīng)力缺失，降低強(qiáng)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(duì)激光沖擊進(jìn)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(qiáng)化時(shí)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(qiáng)化后材料表面的粗糙度比圓形光斑更有優(yōu)勢(shì)[18]。

激光沖擊強(qiáng)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(duì)材料的性能有重要影響[1]。激光沖擊強(qiáng)化會(huì)從多個(gè)方面對(duì)材料表層性質(zhì)產(chǎn)生有利影響。激光沖擊強(qiáng)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(huì)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(kuò)展，從而達(dá)到延長(zhǎng)材料壽命甚至止裂效果[19]。因此，殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的深度和數(shù)值大小常被用來(lái)評(píng)估表層改性后材料的抗疲勞性能。

常見(jiàn)的殘余應(yīng)力的定量測(cè)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(cè)試技術(shù)成熟有效而被廣泛運(yùn)用，美國(guó)汽車(chē)學(xué)會(huì)和日本材料學(xué)會(huì)都把X射線衍射法作為測(cè)量材料應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生衍射，通過(guò)度量晶體點(diǎn)陣的應(yīng)變來(lái)測(cè)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(tái)裝置就是基于這兩種原理的X衍射殘余應(yīng)力測(cè)試儀。

傳統(tǒng)的X射線衍射法采用一維探測(cè)器，通過(guò)改變測(cè)試角 ，對(duì)固定點(diǎn)進(jìn)行多次曝光，最后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，計(jì)算出θ方向上的應(yīng)力值：

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

近年來(lái)開(kāi)發(fā)的二維面探X射線衍射法采用二維探測(cè)器，固定測(cè)試角，對(duì)固定點(diǎn)進(jìn)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(jìn)行應(yīng)力的計(jì)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(cè)得的激光處理強(qiáng)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(huì)增加。沖擊次數(shù)超過(guò)兩次后，材料表層殘余壓應(yīng)力深度超過(guò)2mm，而傳統(tǒng)的噴丸強(qiáng)化引起的殘余壓應(yīng)力深度一般不超過(guò)0.5mm。殘余應(yīng)力深度較深是激光沖擊強(qiáng)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(qiáng)的抗疲勞性能。

激光沖擊強(qiáng)化、噴丸強(qiáng)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(qiáng)化以及激光沖擊強(qiáng)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(qiáng)化比噴丸強(qiáng)化效果更佳。對(duì)包含初始裂紋的材料，激光沖擊強(qiáng)化也可以降低裂紋的擴(kuò)展速率[22]，這使得激光沖擊強(qiáng)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(qiáng)化前后裂紋的擴(kuò)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(qiáng)化后此裂紋不會(huì)擴(kuò)展至2mm以上[22]。

2 表面粗糙度，微觀組織與屈服強(qiáng)度變化

在單個(gè)光斑的激光沖擊強(qiáng)化下，材料表面的粗糙度會(huì)減小，這對(duì)材料強(qiáng)化是有利的。當(dāng)材料需要多個(gè)小光斑的疊加強(qiáng)化時(shí)，材料表面的粗糙度會(huì)增加，這與光斑的形狀以及疊加率有關(guān)。對(duì)于多個(gè)光斑的疊加來(lái)說(shuō)，方形光斑比圓形光斑對(duì)減小表面粗糙度更有優(yōu)勢(shì)。

激光沖擊強(qiáng)化不同于常規(guī)的噴丸強(qiáng)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(dá)到106s-1以上，在這個(gè)超高的應(yīng)變率下，材料表層位錯(cuò)密度增加，組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，形成多種強(qiáng)化的亞細(xì)結(jié)構(gòu)，從而提高了表面強(qiáng)化層的失效抗力。同時(shí)激光沖擊強(qiáng)化會(huì)使材料表層形變產(chǎn)生硬化，表面層的屈服強(qiáng)度提高，失效抗力提高。

ZHANG Y等發(fā)現(xiàn)激光沖擊強(qiáng)化可以細(xì)化鎂合金的晶粒，實(shí)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(huì)不斷細(xì)化[23]。CHE Zhigang等發(fā)現(xiàn)了激光沖擊強(qiáng)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(chǎng)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(qiáng)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(qiáng)化的數(shù)值模擬

激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程復(fù)雜，影響因素多，因此激光沖擊強(qiáng)化的定量分析一般都會(huì)借助于數(shù)值方法來(lái)完成。在確定了激光沖擊過(guò)程的壓力時(shí)間曲線后，就可以通過(guò)有限元軟件來(lái)進(jìn)行激光沖擊模擬。

激光沖擊強(qiáng)化的ABAQUS有限元模型，為了提高計(jì)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?chē)鼑弦蝗o(wú)限元網(wǎng)格，在沖擊的對(duì)稱(chēng)面，建立對(duì)稱(chēng)邊界條件，紅色區(qū)域?yàn)榧す鉀_擊區(qū)域。

建立有限元模型后，輸入激光沖擊強(qiáng)化的壓力-時(shí)間曲線，并輸入材料的彈塑性本構(gòu)方程，就能用ABAQUS/Explicit對(duì)激光沖擊過(guò)程進(jìn)行模擬。在模擬結(jié)束后，采用ABAQUS/Standard進(jìn)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(gè)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(qiáng)化后殘余應(yīng)力沿深度方向的分布。

激光沖擊強(qiáng)化的工程應(yīng)用

雖然激光沖擊強(qiáng)化的理論研究已有50多年，但是其工程應(yīng)用是從20世紀(jì)90年代在美國(guó)開(kāi)始興起的，這主要是由于傳統(tǒng)的強(qiáng)脈沖激光裝置造價(jià)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(guó)研發(fā)雜志將激光沖擊處理評(píng)為全美100項(xiàng)最重要的先進(jìn)技術(shù)之一。1998 年后, 美國(guó)GE 公司已開(kāi)始利用激光對(duì)渦輪風(fēng)扇葉片和F110-GE-100、F110-GE-129 的風(fēng)扇第 I級(jí)工作葉片進(jìn)行沖擊強(qiáng)化。2004年LSP 技術(shù)被用于F119-PW-100 發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線，到2009年，75%的F119發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)整體葉盤(pán)都經(jīng)過(guò)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(xì)亞航空（JAA）批準(zhǔn)為飛機(jī)關(guān)鍵件維修技術(shù)。美國(guó)在2004 年正式頒布了LSP 操作規(guī)范，當(dāng)年這項(xiàng)技術(shù)還被應(yīng)用于波音777民用飛機(jī)的葉片處理。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的成功運(yùn)用，為美國(guó)節(jié)約了許多成本，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)約超過(guò)10億美元。2012年，美國(guó)金屬改進(jìn)公司生產(chǎn)了移動(dòng)式激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式的激光沖擊強(qiáng)化。激光沖擊強(qiáng)化除了在航空航天上有較好的運(yùn)用，還在核廢料處理、汽車(chē)、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(guó)內(nèi)研究者及對(duì)激光沖擊強(qiáng)化的工業(yè)運(yùn)用進(jìn)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(qiáng)化設(shè)備。2011年，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化團(tuán)隊(duì)向沈陽(yáng)黎明發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司交付首臺(tái)整體葉盤(pán)激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備，填補(bǔ)了我國(guó)無(wú)工業(yè)應(yīng)用激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備的空白。

結(jié)束語(yǔ)

激光沖擊強(qiáng)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(qiáng)化的優(yōu)勢(shì)，在某些零部件的強(qiáng)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(qiáng)化高效化研究的深入，以及激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程的模擬仿真及測(cè)試評(píng)價(jià)方法的制定，這項(xiàng)技術(shù)必將在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用, 尤其是在航空航天領(lǐng)域。

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