何兆儒，沈一洲，周 晉，劉偉蘭，孫汝杰

（1.南京航空航天大學(xué)，南京 210016；2.西安交通大學(xué)，西安 710049；3.南京工業(yè)大學(xué)，南京 210000；4.帝國(guó)理工學(xué)院，倫敦SW7 2AZ）

材料的主要失效形式分為磨損、疲勞、腐蝕等，而這些失效形式多發(fā)生于材料表面。在載荷作用下，部件的疲勞斷裂源自材料表面產(chǎn)生的裂紋缺陷，而裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展引起材料整體斷裂，最終導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障，因此，材料的表面微觀結(jié)構(gòu)與性能對(duì)于整體部件的綜合使役效能具有十分重要的影響。隨著科技的不斷發(fā)展，開(kāi)始尋求各種方法，在不改變基材性能的情況下，提高部件的工作穩(wěn)定性并延長(zhǎng)其使用壽命。激光沖擊強(qiáng)化（Laser shock peening,LSP），是一種利用高能激光束賦予金屬構(gòu)件表面有效殘余應(yīng)力層的表面工程改性技術(shù)。在LSP冷加工過(guò)程中，短脈沖、高功率密度的脈沖激光透過(guò)透明約束層輻照在涂覆吸收保護(hù)層的材料表面[1]，使表面發(fā)生高應(yīng)變速率的塑性變形，相較于普通噴丸（Shot peening，SP）處理，形成的動(dòng)態(tài)殘余壓應(yīng)力可達(dá)幾百M(fèi)Pa，影響深度可達(dá)毫米級(jí)[2]。LSP通過(guò)改善材料表面的微觀組織結(jié)構(gòu)，有效抑制裂紋的萌生與擴(kuò)展，在精密航空零件材料強(qiáng)化方面具有廣闊的應(yīng)用背景，可以顯著提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等構(gòu)件的高周疲勞水平。LSP發(fā)展至今，國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)對(duì)多種材料進(jìn)行了強(qiáng)化處理，主要包括不同鋼種、鈦合金、鋁合金、鎂合金和高溫合金等。

微觀組織演變

1 激光沖擊強(qiáng)化

激光沖擊強(qiáng)化的原理如圖1所示。覆蓋在基材上的吸收層在受到激光脈沖沖擊后迅速汽化，在極短的沖擊時(shí)間內(nèi)形成等離子體，并在約束層的作用下以沖擊波的形式傳遞到材料內(nèi)部。當(dāng)沖擊波應(yīng)力超過(guò)金屬的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生塑性變形[1–4]。在激光沖擊強(qiáng)化處理中，材料應(yīng)變速率高達(dá)106～108s–1，可以有效細(xì)化沖擊區(qū)域的晶粒，誘導(dǎo)位錯(cuò)增殖與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而改變基材表面微觀組織結(jié)構(gòu)，顯著提高材料的硬度等特性[5]，有效改善材料的疲勞強(qiáng)度[6]、抗拉強(qiáng)度[7]和耐磨性[8]等。

圖1 激光沖擊強(qiáng)化原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser shock peening principle

Zhang等[2]在研究中指出，材料沖擊后的微觀結(jié)構(gòu)特征主要取決于LSP的工藝參數(shù)。此外，Zhang等[9]進(jìn)一步研究了1次、2次和4次激光沖擊對(duì)AZ31B鎂合金顯微組織的影響，結(jié)果如圖2所示[9]?？梢钥闯?，激光沖擊次數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致更大的塑性變形，從而進(jìn)一步細(xì)化晶粒。Yang等[10]通過(guò)對(duì)Al–Li合金進(jìn)行LSP處理，發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。在單次LSP處理后，該合金的表面晶粒細(xì)化到93nm左右，而經(jīng)過(guò)3次LSP處理后，晶粒進(jìn)一步細(xì)化至70nm左右。這種細(xì)化的納尺度組織可以有效預(yù)防裂紋的萌生，并且可以通過(guò)晶界強(qiáng)化作用抑制裂紋的擴(kuò)展，在預(yù)防應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂方面也可以起到良好的作用。

圖2 AZ31B鎂合金表面形貌Fig.2 Surface morphology of AZ31B magnesium alloy

當(dāng)激光沖擊強(qiáng)化引起的沖擊波作用到材料表面時(shí)，位錯(cuò)開(kāi)始增長(zhǎng)并沿著其滑移面運(yùn)動(dòng)，形成位錯(cuò)線[11]。當(dāng)位錯(cuò)線的密度達(dá)到一定值后，這些位錯(cuò)線聚集形成高密度位錯(cuò)，并通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與相互作用進(jìn)一步繁殖，形成位錯(cuò)纏結(jié)、位錯(cuò)堆積和位錯(cuò)壁等組織結(jié)構(gòu)[12]。其中，位錯(cuò)壁還可能通過(guò)位錯(cuò)堆積和重排進(jìn)一步發(fā)展為亞晶粒邊界[13]。Lu等[14]報(bào)道了LSP處理過(guò)的LY2鋁合金，由于自發(fā)的位錯(cuò)堆積和重排形成的低能位錯(cuò)邊界而形成位錯(cuò)壁，這種微觀組織的變化不僅有助于最小化晶體內(nèi)的總能量，同時(shí)也有助于提高材料宏觀性能。Geng等[15]在對(duì)TC21鈦合金進(jìn)行LSP處理后發(fā)現(xiàn)，在具有體心立方結(jié)構(gòu)的基體相中觀察到大量不均勻的位錯(cuò)，如圖3所示[13]。這是由于體心立方晶體結(jié)構(gòu)具有更高的堆垛層錯(cuò)能和更多的滑移系統(tǒng)，使得材料在嚴(yán)重塑性變形下位錯(cuò)更容易滑移[16]，而對(duì)于具有密排六方結(jié)構(gòu)的第二相，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)很難發(fā)生，需要借助變形孿生等形式以滿足塑性變形的要求。

圖3 樣品表面TEM圖像Fig.3 TEM image of sample surface

2 熱激光沖擊強(qiáng)化

近年來(lái)，研究人員相繼開(kāi)展了極端環(huán)境下的激光沖擊強(qiáng)化，包括高溫環(huán)境的熱激光沖擊強(qiáng)化和低溫環(huán)境的深冷激光沖擊強(qiáng)化，目的在于克服常溫激光沖擊強(qiáng)化處理后材料在實(shí)際工作環(huán)境下暴露的問(wèn)題[17–18]，主要包括殘余應(yīng)力不穩(wěn)定性等。

基于高溫超過(guò)+125℃的極端環(huán)境加工，美國(guó)普渡大學(xué)的Cheng課題組從2009年開(kāi)始研發(fā)熱激光沖擊強(qiáng)化（Warm laser shock peening,WLSP）技術(shù)，其工作原理如圖4所示，即在對(duì)部件加熱的情況下進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)[17–20]。WLSP是一種集LSP、動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效（Dynamic strain aging,DSA）、動(dòng)態(tài)沉淀（Dynamic precipitation,DP）等優(yōu)點(diǎn)于一體的熱–機(jī)械表面處理技術(shù)，具有獨(dú)特微觀組織結(jié)構(gòu)和高殘余應(yīng)力穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)。Liao等[21]在對(duì)AISI 4140碳鋼的WLSP處理中發(fā)現(xiàn)了與LSP相同的位錯(cuò)堆積現(xiàn)象，同時(shí)在WLSP樣本中觀察到了密度更高，分布更加均勻的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，如圖5所示[21]。這是由于WLSP引起的DSA效應(yīng)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)與擴(kuò)散的溶質(zhì)原子之間相互作用促進(jìn)了位錯(cuò)的增殖和位錯(cuò)間相互作用。此外，在WLSP過(guò)程中，熱能和機(jī)械能的結(jié)合促進(jìn)了碳原子的擴(kuò)散，DSA效應(yīng)形成的高密度位錯(cuò)為納米動(dòng)態(tài)沉淀提供了更多的成核位點(diǎn)。由圖5可以觀察到WLSP產(chǎn)生的高密度納米沉淀，直徑約為10nm[21]。因此，通過(guò)位錯(cuò)和納米沉淀的彈性相互作用，即位錯(cuò)釘扎效應(yīng)，使得DP效應(yīng)誘導(dǎo)的納米析出物可以抑制鄰近位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使位錯(cuò)密度保持在比較高的水平，從而提高材料表面殘余壓應(yīng)力的穩(wěn)定性。

圖4 熱激光沖擊強(qiáng)化原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of warm laser shock peening principle

圖5 AISI 4140碳鋼WLSP后表面微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 AISI 4140 carbon steel WLSP rear surface microstructure

除碳鋼外，Liao等[22]同樣對(duì)鋁合金進(jìn)行了WLSP處理。圖6[22–23]總結(jié)了WLSP過(guò)程中鋁合金的微觀組織演變。通過(guò)LSP與WLSP的比較發(fā)現(xiàn)，由于DP效應(yīng)，在WLSP樣品中生成了高密度小尺寸的沉淀物，而在LSP樣品中沒(méi)有出現(xiàn)第二相顆粒。為了進(jìn)一步觀察沉淀物的結(jié)構(gòu)，Liao等[22]通過(guò)暗場(chǎng)圖像發(fā)現(xiàn)WLSP處理中DP效應(yīng)產(chǎn)生了直徑約為5～10nm的球形小顆粒。此外，Liao等[23]研究了在400μm表面內(nèi)沉淀的析出率變化，如圖6所示，最大析出率達(dá)到19%。由于WLSP引入塑性應(yīng)變的梯度變化，材料表面塑性變形程度最高，納米析出物最多，因此位錯(cuò)密度以及釘扎效應(yīng)帶來(lái)的殘余壓應(yīng)力數(shù)值最大，同時(shí)相較于LSP熱穩(wěn)定性更高。

圖6 鋁合金WLSP后表面微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of rear surface of aluminum alloy WLSP

3 深冷激光沖擊強(qiáng)化

深冷加工是近年來(lái)興起的一種提高金屬工件性能的新工藝技術(shù)，可以有效改善航空難加工材料切削性能、延長(zhǎng)刀具使用壽命、提高表面加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率等[24]。因此，將LSP和深冷加工結(jié)合起來(lái)，在低于–55℃的極端低溫環(huán)境下進(jìn)行LSP加工，可以產(chǎn)生較大的塑性變形（SPD），從而形成納米孿晶的微觀結(jié)構(gòu)以提高性能。

因此，Ye等[25]課題組開(kāi)展了深冷激光沖擊強(qiáng)化（Cryogenic laser shock peening,CLSP）技術(shù)研究[25–26]，其工作原理如圖7所示。通過(guò)將樣品夾具浸入充滿液氮的不銹鋼槽中進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低溫塑形變形不僅可以通過(guò)抑制動(dòng)態(tài)回復(fù)而增加儲(chǔ)存的能量，提高材料的抗疲勞性能，還可以產(chǎn)生具有良好熱穩(wěn)定性的高密度納米級(jí)變形孿晶，有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而強(qiáng)化晶界等微觀結(jié)構(gòu)。從常溫LSP和CLSP樣品表面TEM圖像可以看出，CLSP與LSP相同，均能導(dǎo)致材料表面納米化，并在原始晶粒中生成位錯(cuò)纏結(jié)和位錯(cuò)壁等結(jié)構(gòu)，如圖8所示[26]。當(dāng)塑性變形進(jìn)一步發(fā)生時(shí)，位錯(cuò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚Ы?，并通過(guò)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶最終演變?yōu)榧{米級(jí)晶界。圖9[26]顯示了不同放大倍數(shù)下CLSP樣品從[111]方向上觀察到的堆垛層錯(cuò)SF?？梢悦黠@觀察到CLSP樣品中出現(xiàn)了高密度的堆垛層錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，然而在常溫LSP樣品中并沒(méi)有觀察到。CLSP中高密度的堆垛層錯(cuò)可以進(jìn)一步阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化基體材料。

圖7 深冷激光沖擊強(qiáng)化原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of cryogenic laser shock peening principle

圖8 表面納米晶粒形貌圖Fig.8 Surface nano-grain morphology

圖9 CLSP樣品中的堆垛層錯(cuò)Fig.9 Stacking faults in CLSP sample

Ye等[26]在對(duì)304不銹鋼的CLSP樣品表面微觀組織觀察中還發(fā)現(xiàn)了高密度形變孿晶，如圖10所示[26]，長(zhǎng)度約為200～500nm，屬于納米級(jí)孿晶。這些形變孿晶與附近的位錯(cuò)高度纏結(jié)，形成高密度的孿晶–位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。在低溫環(huán)境下，材料中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受阻，因此塑性變形以孿生形式為主。生成的高密度形變孿晶可以有效阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高材料強(qiáng)度。此外，形變孿晶還具有很高的熱穩(wěn)定性，在材料實(shí)際工作環(huán)境下也能提高微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而解決殘余應(yīng)力松弛的問(wèn)題。CLSP樣品的相分析表明，樣品表面中還出現(xiàn)了高體積分?jǐn)?shù)的馬氏體相[27]，如圖11所示[26]，進(jìn)一步提高了材料表面的強(qiáng)度和硬度。

圖10 304不銹鋼CLSP樣品表面微觀組織的高密度形變孿晶Fig.10 High density deformation twins in surface microstructure of CLSP sample of 304 stainless steel

圖11 CLSP處理后的TEM圖像和產(chǎn)生的馬氏體相Fig.11 TEM image and Martensite phase produced after CLSP treatment

材料性能增強(qiáng)

1 硬度與屈服強(qiáng)度

LSP處理可以通過(guò)對(duì)表面微觀組織的改善進(jìn)一步提高被沖擊區(qū)域的表面硬度（納米硬度或顯微硬度）[27]，且提高的幅度隨著材料的深度而減小[28]。研究發(fā)現(xiàn)，硬度的增強(qiáng)取決于LSP的工藝參數(shù)，例如激光功率密度[29]、激光沖擊次數(shù)[2]、激光峰值壓力[30]和基材條件。Zhang等[2]通過(guò)對(duì)Ti–6Al–4V進(jìn)行一次和兩次激光沖擊，發(fā)現(xiàn)顯微硬度分別提高了15%和24%，如圖12所示[2]。還可以看出，遠(yuǎn)離沖擊區(qū)域的基材硬度會(huì)越來(lái)越低，這歸因于殘余拉應(yīng)力的存在[31]。Yilbas等[32]發(fā)現(xiàn)LSP后Ti–6Al–4V的顯微硬度最高可以達(dá)到原來(lái)的1.5倍，如圖13所示[32]。材料硬度的增強(qiáng)是由于LSP過(guò)程中位錯(cuò)密度[33]和孿晶形變[31]的大幅增加導(dǎo)致。此外，表面組織的晶粒細(xì)化也是硬度提高的另一主要原因[9]。

圖12 Ti–6Al–4V試樣1次和2次沖擊表面顯微硬度Fig.12 Ti–6Al–4V specimen micro-hardness after one and two impacts

圖13 Ti–6Al–4V激光沖擊表面的顯微硬度Fig.13 Micro-hardness of Ti–6Al–4V laser impacted surface

除了材料的硬度，Clauer等[34]還研究了LSP對(duì)鋁合金（2024–T351,2024–T851,7075–T651,7075–T73）屈服強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)LSP處理后，7075–T73和2024–T351鋁合金的屈服強(qiáng)度增加，而另外兩種鋁合金屈服強(qiáng)度不變。屈服強(qiáng)度的增加是由于表面和深層形成的殘余壓應(yīng)力和沖擊波引起的非彈性應(yīng)變?cè)斐傻?，而沒(méi)有提高屈服強(qiáng)度的兩組鋁合金可能因?yàn)槿狈鼗鸬群筇幚砉に?。LSP處理后00Cr12不銹鋼的屈服強(qiáng)度同樣有所提高[35]。因此，屈服強(qiáng)度的增加歸因于LSP引起的殘余壓應(yīng)力以及更高的位錯(cuò)密度。

2 疲勞壽命

大量的研究表明與常規(guī)噴丸處理相比，LSP可以產(chǎn)生更高的殘余壓應(yīng)力、更低的表面粗糙度，從而抑制材料表面的裂紋萌生與擴(kuò)展[1，6]，顯著提高部件的整體疲勞壽命[6，9]。Zhang等[2]通過(guò)對(duì)Ti–6Al–4V進(jìn)行多次LSP后發(fā)現(xiàn)，材料的疲勞壽命隨激光沖擊的次數(shù)增加而先增加然后降低，在3次激光沖擊時(shí)達(dá)到最高的疲勞壽命，如圖14所示[2]。其中，整體疲勞壽命的降低可能是由于沖擊次數(shù)過(guò)多，吸收保護(hù)層被破壞，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中、表面粗糙度提高和殘余壓應(yīng)力不穩(wěn)定等缺陷產(chǎn)生[36]。從圖15[2]可以看出，1次和2次沖擊后材料的疲勞壽命分別提高了22.2%和41.7%。

圖14 370MPa峰值壓力下疲勞壽命與沖擊數(shù)量的關(guān)系Fig.14 Relationship between fatigue life and number of impacts at 370MPa peak pressure

圖15 不同應(yīng)力水平下LSP后Ti–6Al–4V的疲勞壽命Fig.15 Fatigue life of Ti–6Al–4V after LSP under different stress levels

LSP處理后材料疲勞壽命提高的原因之一是強(qiáng)化過(guò)程中誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力，深度可達(dá)毫米量級(jí)的殘余應(yīng)力層可以有效抑制疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展，顯著提高材料的疲勞壽命。因此，許多研究通過(guò)有限元模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究LSP處理對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響，進(jìn)而分析不同LSP工藝對(duì)材料疲勞壽命的增強(qiáng)效果。Prevéy等[37]開(kāi)發(fā)了軸對(duì)稱二維有限元模型，用于模擬單點(diǎn)多次沖擊的強(qiáng)化效果。Zhang等[38]的研究表明，LSP處理后試樣的疲勞壽命可提高76%，并通過(guò)有限元模擬研究了殘余應(yīng)力與疲勞裂紋路徑之間的關(guān)系，如圖16所示[38]，解釋了不同噴丸處理對(duì)材料疲勞性能的強(qiáng)化機(jī)理。垂直于表面的殘余壓應(yīng)力抑制了疲勞裂紋的產(chǎn)生，平行于表面的殘余壓應(yīng)力通過(guò)將裂紋限制在中心從而延遲了疲勞裂紋的擴(kuò)展。

圖16 不同噴丸處理對(duì)材料疲勞性能的強(qiáng)化機(jī)理圖Fig.16 Strengthening mechanism of different shot peening treatments on fatigue properties of materials

此外，Peyre等[39]指出，在高周疲勞測(cè)試中，與未處理和SP處理的試樣相比，LSP處理可以顯著改善裂紋的萌生。Trdan等[33]在2024–T3鋁合金、2024–T62鋁合金和2204雙相不銹鋼材料中都觀察到了類似的裂紋擴(kuò)展延遲現(xiàn)象，正是由于LSP誘導(dǎo)的深層殘余壓應(yīng)力造成的。MIC公司[40]研究了SP和LSP對(duì)6061–T6鋁合金疲勞壽命的影響，結(jié)果如圖17所示[38]，相較于SP試樣，LSP試樣的疲勞壽命提高了10倍。其結(jié)果是由于冷加工LSP工藝可以產(chǎn)生更深的殘余壓應(yīng)力層，而在低周疲勞和高應(yīng)力測(cè)試條件下，LSP提高效果不明顯[41]。

圖17 LSP和SP后6061–T6鋁合金的疲勞壽命Fig.17 Fatigue life of 6061–T6 aluminum alloy after LSP and SP

因此，LSP提高的整體疲勞壽命取決于實(shí)際工況條件，如應(yīng)力水平、溫度和循環(huán)次數(shù)等。Prevéy等[37]發(fā)現(xiàn)LSP處理后Ti–6Al–4V在高應(yīng)力和450℃高溫下的疲勞壽命測(cè)試表明殘余應(yīng)力幾乎完全松弛。Li等[5]將這種應(yīng)力松弛解釋為L(zhǎng)SP誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致在高溫高應(yīng)力循環(huán)工作下試樣疲勞壽命延長(zhǎng)效果不佳。

3 耐腐蝕性能

由于LSP引起的殘余壓應(yīng)力以及微觀組織的細(xì)化效果，LSP可以有效改善材料的耐腐蝕性能，其效果取決于LSP工藝參數(shù)、目標(biāo)材料和服役環(huán)境。如Liu等[28]在激光噴丸的316L不銹鋼上進(jìn)行電位動(dòng)力極化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著激光脈沖密度的增加，腐蝕電位和電流密度也隨之提高。Amar等[42]研究了2050–T8鋁合金LSP后的腐蝕行為，結(jié)果表明LSP樣品沒(méi)有晶間腐蝕，點(diǎn)蝕電位沒(méi)有增加，陽(yáng)極電流較低。Gujba等[40]發(fā)現(xiàn)與未處理樣品相比，6082–T651鋁合金LSP后在0.6mol/L NaCl溶液中顯示出更好的耐腐蝕性能。Peyre等[43]的試驗(yàn)表明316L不銹鋼噴丸后在NaCl鹽環(huán)境中鈍化電流密度顯著降低，并歸因于殘余壓應(yīng)力的形成。Peyre等[44]進(jìn)一步說(shuō)明經(jīng)LSP處理的G41400合金結(jié)構(gòu)鋼在馬氏體組織中顯示出腐蝕電流降低的特性。因此，LSP可以通過(guò)細(xì)化晶粒和形成殘余應(yīng)力層來(lái)降低陽(yáng)極腐蝕電流進(jìn)而改善構(gòu)件的耐腐蝕性能。

此外，由于誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力和晶粒細(xì)化導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展延緩，LSP技術(shù)可以有效提高材料的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（Stress corrosion cracking,SCC）性能[9]。Scherpereel等[45]研究了兩種不銹鋼（奧氏體和馬氏體）LSP后在0.01mol/L NaCl和0.01mol/L Na2SO4混合溶液中的SCC行為，結(jié)果表明LSP樣品可以通過(guò)降低鈍化電流密度而不影響點(diǎn)蝕電位，顯示出優(yōu)異的抗SCC性能。此外，對(duì)激光沖擊強(qiáng)化的304不銹鋼和鎳合金的研究[46]同樣顯示出對(duì)SCC的抵抗性。Zhang等[9]研究了激光沖擊強(qiáng)化AZ31B鎂合金對(duì)SCC的敏感性。結(jié)果表明與未處理樣品相比，LSP處理后的樣品裂紋擴(kuò)展速率顯然更慢，如圖18所示[9]。Yoda等[47]研究了激光沖擊強(qiáng)化和未處理的304不銹鋼的SCC敏感性，結(jié)果表明，所有未處理的樣品都有裂紋和擴(kuò)展，而激光沖擊強(qiáng)化后的樣品則沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，如圖19所示[47]。因此，研究充分證明了LSP可以顯著提高試樣的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能，進(jìn)一步拓寬LSP的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖18 AZ31B鎂合金的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂測(cè)試結(jié)果Fig.18 AZ31B magnesium alloy stress corrosion cracking test results

圖19 SCC測(cè)試后304不銹鋼試樣橫截面的微觀結(jié)構(gòu)Fig.19 Microstructure of 304 stainless steel sample cross section after SCC test

應(yīng)用前景

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是一種綠色環(huán)保的高效新型表面改性技術(shù)。它利用激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波的力學(xué)效應(yīng)對(duì)材料表面進(jìn)行改性，與傳統(tǒng)激光表面加工技術(shù)，如激光表面熔覆、激光表面合金化、激光表面熔化等相比，具有無(wú)熱影響區(qū)的優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生熱效應(yīng)；與傳統(tǒng)表面強(qiáng)化工藝，如噴丸、滾壓、鍛打和擠壓等相比，具有強(qiáng)化效果更顯著、可控性強(qiáng)、適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)以及高能、高壓、超高應(yīng)變率的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[2]。

目前為止，激光沖擊強(qiáng)化在航空航天領(lǐng)域以及軍工領(lǐng)域應(yīng)用較多。但是隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，各個(gè)領(lǐng)域的需求越來(lái)越多，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用前景也在不斷開(kāi)拓。近年來(lái)，NASA約翰遜航天中心的Hatamleh等[48–49]提出使用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行焊后處理，用于提高焊縫組織的整體性能，他們分別研究了噴丸強(qiáng)化和激光沖擊強(qiáng)化對(duì)常溫和高低溫下焊接接頭硬度和疲勞裂紋行為的影響。結(jié)果表明，激光沖擊強(qiáng)化在各個(gè)方面均優(yōu)于噴丸強(qiáng)化，可以顯著提高材料的力學(xué)性能。2017年，美國(guó)的Kalentics等[50]用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)對(duì)選擇性激光熔化（Selective laser melting,SLM）部件進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，提出將SLM和LSP結(jié)合起來(lái)的“3D LSP”方法，進(jìn)一步發(fā)展了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)。2018年，陳嘯等[51]利用激光沖擊技術(shù)調(diào)控NiCrBSi熔覆層表面應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)加載的激光沖擊波可以消除熔覆層的表面殘余拉應(yīng)力，有效防止零件的開(kāi)裂與變形，促進(jìn)了激光熔覆技術(shù)的工程應(yīng)用。隨著社會(huì)需求的不斷增加，激光沖擊強(qiáng)化的應(yīng)用領(lǐng)域在進(jìn)一步擴(kuò)大，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)也在不斷豐富和拓展，在國(guó)內(nèi)外高性能零件的制造與再制造、化學(xué)應(yīng)力腐蝕防護(hù)、生物醫(yī)療植入物改性、大型壁板精密成形等方面均已得到初步應(yīng)用，相信未來(lái)可以進(jìn)一步發(fā)展，在更多的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

結(jié)論

（1）激光沖擊強(qiáng)化是一種利用激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波來(lái)提高材料疲勞壽命的新型表面改性技術(shù)。它可以顯著改善基體材料表面微觀組織，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，顯著提高位錯(cuò)密度，形成位錯(cuò)纏結(jié)、位錯(cuò)壁等結(jié)構(gòu)。在LSP基礎(chǔ)上開(kāi)展的WLSP和CLSP工作可以進(jìn)一步通過(guò)DSA效應(yīng)、DP效應(yīng)、高密度形變孿晶以及堆垛層錯(cuò)等方式提高基體材料殘余應(yīng)力的穩(wěn)定性。

（2）基于對(duì)材料表面微觀組織的影響，LSP可以顯著提高材料的硬度和屈服強(qiáng)度，改善部件的工作穩(wěn)定性。此外，LSP還可以改善材料的耐腐蝕性能，顯著提高材料的疲勞壽命，進(jìn)而拓寬LSP處理材料的應(yīng)用領(lǐng)域。