易 敏，張 璇，胡文軒，周留成，劉士杰，鄭大勇

（1.南京航空航天大學航空航天結構力學及控制全國重點實驗室，南京 210016；2.空軍工程大學航空動力系統(tǒng)安全與等離子體技術全國重點實驗室，西安 710038；3.北京航天動力研究所低溫液體推進技術實驗室，北京 100076）

航空航天制造業(yè)的快速發(fā)展，對設備零部件尤其是金屬零部件提出了越來越高的要求，一方面要求零件具有復雜的結構，另一方面要求零件具有優(yōu)異的力學性能以滿足航空航天嚴苛的服役環(huán)境。傳統(tǒng)的金屬加工工藝逐漸不能滿足復雜零部件的加工制造需要，增材制造（Additive manufacturing，AM）作為一種先進制造技術，以金屬粉末或絲材為原料，通過激光、電弧與電子束等高能熱源熔化/快速凝固逐層堆積，完成金屬材料的成形加工[1]。由于上述工藝特點，增材制造技術可以生產(chǎn)傳統(tǒng)減材制造無法完成的工件，如鏤空的網(wǎng)狀復雜結構件[2]，也可以通過合理優(yōu)化某些大型承力結構件的結構實現(xiàn)輕量化設計[3]，以及使原來需要多個零件裝配而成的部件簡化為一體化的單一零件，大大縮短了零部件的制造周期。基于以上優(yōu)點，增材制造成為解決航空領域復雜結構件制造難題的新技術途徑，有望解決現(xiàn)代航空航天復雜金屬構件的成形問題。

但是，金屬增材制造過程具有溫度梯度大、冷卻速度快等特點，導致材料的組織結構與平衡態(tài)顯著不同[4]。此外，隨著研究的深入，有學者發(fā)現(xiàn)增材制造部件存在一些固有的冶金缺陷，例如孔洞[5]、殘余拉應力[6]、微裂紋[7]等，這些因素顯著影響其疲勞性能。增材制造金屬較差的疲勞性能在一定程度上限制了該技術在航空航天關鍵零部件上的應用，目前已有一些方法可用于提升金屬材料的疲勞性能[8–11]，但是如何改善增材制造金屬疲勞性能，尚未形成成熟穩(wěn)定的方法體系。因此，如何提升增材制造金屬的疲勞性能成為當前研究熱點。

激光沖擊強化（Laser shock peening，LSP）技術作為目前較為先進的表面改性技術，利用高能激光束作用于金屬材料表面，引起金屬微結構變化[12]，具體是激光沖擊誘導產(chǎn)生的表層殘余壓應力層能夠抵消加工過程帶來的拉應力，并抑制疲勞裂紋的萌生和擴展，從而顯著提高金屬材料的疲勞壽命[13–14]。因此，LSP技術在改善增材制造金屬材料零部件的疲勞性能、拓寬增材制造技術的應用前景等方面，具有重要意義。本文首先介紹了LSP 技術的原理和增材制造技術的特點，然后從孔隙率、微觀組織結構、殘余應力3 個方面總結了LSP 作為后處理方式改善增材制造金屬疲勞性能的機制，并總結了LSP 與增材制造復合工藝對金屬疲勞性能的影響，最后對LSP 改善增材制造金屬疲勞性能的研究進行了總結與展望。

1 激光沖擊強化技術原理

LSP 是一種基于高能激光的新型表面改性技術，基本原理如圖1所示[15]。具體是使用短脈沖（ns 量級、甚至ps/fs 量級）、高功率密度（GW/cm2量級）的激光透過約束層，輻射在金屬材料表面，其表面涂覆的保護層在極短時間內吸收大量能量，產(chǎn)生高溫（104K 量級）、高壓（GPa 量級）等離子體；該等離子體繼續(xù)吸收激光能量，在約束層的束縛下形成等離子體沖擊波，向材料內部傳播并與材料相互作用；沖擊波的力效應使金屬材料表層以極高的應變速率（106s–1量級）發(fā)生塑性變形，形成較大深度（mm量級）梯度分布的殘余壓應力層，并改變表層微觀組織（位錯、孿晶、晶粒細化等），對材料的疲勞性能、抗應力腐蝕以及耐磨損性能具有重要影響[16–19]。

圖1 激光沖擊強化技術原理[15]Fig.1 Schematic view of the principle of LSP technology[15]

相較于其他表面改性技術，LSP技術因其具有高能、高壓、超高應變率等特點，能產(chǎn)生強度較大、影響較深的殘余應力場，強化效果優(yōu)異。同時，材料表面不會因LSP 處理受到破壞，甚至經(jīng)過強化處理后，材料表面的粗糙度有所降低[20]。因此，LSP技術被廣泛應用于金屬材料的表面處理，以提高其疲勞性能[21–23]。

2 增材制造技術

增材制造技術是一種先進制造技術，自20世紀80年代3D 打印技術開始商用以來，增材制造技術快速發(fā)展，相關工藝和技術路線發(fā)展迅速。國內的增材制造技術經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，研發(fā)出了一批增材制造裝備，在典型成形設備、軟件、材料等方面的研究和產(chǎn)業(yè)化方面獲得了重大進展，遍布航空航天、汽車、軍工等行業(yè)，推動了我國制造技術的發(fā)展[24]。相比于傳統(tǒng)制造技術，增材制造技術運用范圍廣泛，可滿足各種制造需求，尤其在航空航天制造領域有著廣闊的應用前景。例如，激光快速成形技術可完成高性能梯度結構金屬材料的快速成形，在飛機、發(fā)動機關鍵金屬零部件的成形和修復過程中發(fā)揮重要作用[25]?，F(xiàn)有增材制造技術可分為多種，根據(jù)其使用能量不同可分為3 大類：（1）以激光為熱源的激光增材制造（Laser additive manufacturing，LAM）；（2）以電弧為熱源的電弧熔絲增材制造（Wire arc additive manufacturing，WAAM）；（3）以高能電子束為熱源的電子束增材制造（Electron beam additive manufacturing，EBAM）。根據(jù)其原材料狀態(tài)又可分為粉床熔化增材制造（Powder bed fusion，PBF）、薄片層疊增材制造（Sheet lamination，SL）和定向能量沉積（Direct energy deposition，DED）增材制造，如圖2所示[26]。

圖2 金屬增材制造技術分類[26]Fig.2 Classification of metal additive manufacturing techniques[26]

目前，增材制造技術已發(fā)展出三十多種工藝[24]，其中在航空航天制造領域較為常見的有選區(qū)激光熔化（SLM）技術、電弧熔絲增材制造技術（WAAM）和激光定向能量沉積（LDED）技術。本文聚焦SLM、LDED、WAAM 技術，綜述了LSP 在其中的應用，并討論分析了LSP 改善增材制造金屬材料疲勞性能的機制。

3 激光沖擊后處理改善增材制造金屬疲勞性能

金屬增材制造過程中，零部件成形質量受增材工藝影響較大，固液轉變、能量密度、掃描速度及路徑等因素都會對成形質量造成較大影響[27–28]。例如，在液固轉變過程中，材料會發(fā)生很大程度的收縮，已凝固的下層材料阻礙了后熔化的上層材料的冷卻收縮，使得增材成形的部件表面上積累了相當大的拉伸殘余應力[29–31]。這種機制在激光增材工藝的每個步驟中的每一層都會發(fā)生，因此在部件內部也會積累較大的拉伸殘余應力，從而導致生產(chǎn)零部件的疲勞性能顯著下降[32]。此外，冷卻過程中產(chǎn)生的復雜表面及內部殘余應力可能會導致零件變形甚至分層，嚴重時可能導致成形過程失敗。除拉伸殘余應力外，增材過程中熔池的不穩(wěn)定性容易導致熔池飛濺或蒸發(fā)，形成孔隙缺陷[33]。例如，在選區(qū)激光熔化過程中，激光能量密度是導致孔隙形成的關鍵因素。激光能量不足會造成材料熔化不足、熔道搭接不完全，從而形成未熔合孔隙。而過高的激光能量密度會導致熔池溫度過高、熔池深度過大，形成顯著的匙孔[34–36]。除孔隙外，增材制造對材料微觀結構也有顯著影響。例如，鈦合金激光增材制造過程中，熔池表面與內部的冷卻速率差異極大，導致冶金組織存在顯著粗大的柱狀晶。此外，晶粒內部組織也因為位置不同，距基板遠近而存在一定不均勻性[37]。

上述多種因素都會導致激光增材制造零部件疲勞性能下降，而LSP可引起金屬材料孔隙率、微觀組織、殘余應力等變化，進而有效抑制疲勞裂紋的萌生，降低疲勞裂紋擴展速率，提升增材制造零部件的疲勞性能。因此，研究人員已經(jīng)嘗試將LSP作為一種后處理方式，將增材制造金屬零部件用激光沖擊處理，探索改善增材制造金屬疲勞性能的新途徑[38–40]。下文將從激光沖擊調控孔隙率、微觀組織結構、表層殘余應力等方面詳細介紹激光沖擊后處理改善增材制造金屬疲勞性能的研究進展。

3.1 孔隙率

在增材制造過程中，由于工藝因素而產(chǎn)生的孔隙缺陷對材料性能有顯著影響[33，41–44]，相關研究表明，在循環(huán)載荷作用下，孔隙往往會成為裂紋萌生的起點，極大地影響了增材成形構件的疲勞性能[45–50]。Jing 等[45]對WAAM 成形的2319 鋁合金進行了激光沖擊表面后處理，LSP 處理前后2319 鋁合金的孔隙分布圖如圖3所示。LSP 處理后，材料橫截面原本大量存在的孔隙數(shù)量大大減少，而在激光沖擊影響區(qū)域中，孔隙幾乎完全消失（圖3（b））。相應地，材料疲勞強度也顯著提高，從80 MPa 提高到了130 MPa，如圖4所示。Chen 等[44]對LSP 處理的增材制造TiC/Inconel 625 合金的截面孔隙數(shù)量進行了觀察，發(fā)現(xiàn)激光沖擊次數(shù)對孔隙數(shù)量影響較大，當激光沖擊次數(shù)從1 次增加到2 次時，平均孔隙含量減少32%。而3 次激光沖擊后，孔隙含量減少了78%。LSP 在材料表層引入了巨大的塑性變形，在擠壓作用下近表層孔隙閉合，孔隙數(shù)量的減少使材料等效橫截面積增大，致密度提高，承載能力也隨之提高；另一方面，由于應力集中效應，大多數(shù)疲勞裂紋起始位置是從近表層缺陷，尤其是孔隙開始的，如圖5所示[46]。

圖3 WAAM 成形2319 鋁合金孔隙分布[45]Fig.3 Pore distribution of WAAM 2319 aluminum alloy[45]

圖4 WAAM 成形2319 鋁合金S–N 曲線[45]Fig.4 S–N curves of WAAM 2319 aluminum alloy before and after LSP[45]

圖5 增材制造TC4 疲勞斷口[46]Fig.5 AM TC4 fatigue crack[46]

此外，Kalentics 等[51]對SLM 成形316L 不銹鋼進行LSP 處理后，不僅孔隙量減少，而且剩余孔隙的大小和形貌都發(fā)生了改變，如圖6所示。在LSP 影響區(qū)，平均孔隙尺寸從8.1 μm減少至2.6 μm，且剩余孔隙的縱橫比也降低，形貌更接近球形。材料疲勞極限也從250 MPa 提高至300 MPa，較未強化樣品提高了20%，疲勞性能有明顯改善。LSP 后，剩余孔隙更接近球形，孔隙的縱橫比降低，導致孔隙周圍的應力集中系數(shù)變小，進而提升材料的疲勞性能[52]。

圖6 未處理及LSP 處理后的SLM 成型316L 不銹鋼孔隙光學圖像[51]Fig.6 Optical images of pores in untreated and LSP treated SLM formed 316L stainless steel[51]

以上研究表明，LSP 引起的材料孔隙變化可有效改善增材制造零部件的疲勞性能。一方面，LSP 導致孔隙數(shù)量大大減少，材料等效橫截面積增大，承載能力得到提高，疲勞性能改善；另一方面，LSP 引起的孔隙數(shù)量變化使疲勞裂紋可能的起始位置減少，疲勞壽命得到提高。此外，經(jīng)過LSP 處理后，剩余孔隙縱橫比降低，降低了孔隙周圍應力集中系數(shù)，亦有利于材料疲勞性能的提高[52]。

3.2 微觀組織結構

在增材制造過程中變化的金屬微觀結構也是影響疲勞性能的因素之一[27，47，53–55]。由于增材制造過程伴隨著快速加熱和快速冷卻，因此金屬在增材區(qū)域快速冷卻，隨后又快速凝固，制造的零件必然具有與基材不同的組織結構[44，53]。多層熔覆制造由于堆積層的反復加熱和冷卻帶來復雜的熱循環(huán)，將嚴重影響增材制造零件的微觀組織結構[27]。此外，多層增材制造技術受不同層間的工藝參數(shù)影響，具有獨特的微觀組織結構，如柱狀晶、等軸晶等[27，54–55]，這些復雜的微觀特征對增材制造金屬材料的疲勞性能影響非常顯著。

已有研究發(fā)現(xiàn)LSP 對增材制造零部件的微觀組織結構有著顯著影響[5，56–62]，如Jin 等[61]觀察了電子束熔化制造（EBM）TC4 鈦合金在LSP前后顯微組織的變化，其變化示意圖如圖7所示，可以觀察到，在LSP 處理前，EBM 成形TC4 合金的顯微組織由穩(wěn)定的α 相和β 相組成；在LSP處理后，α+β 層狀結構轉變?yōu)楹械容S納米晶、形變孿晶和α 相等軸亞微米晶的梯度顯微組織，相應的疲勞性能也因LSP 處理得到提高，疲勞極限由600 MPa 提高到700 MPa，提高了16.7%。對于梯度結構形成的原因，Jin 等[61]從臨界孿晶應力的角度給出了解釋，在30 μm 的硬化深度，由LSP 產(chǎn)生的應力小于臨界孿晶應力，不能形成形變孿晶。隨著深度的減小，LSP 產(chǎn)生的應力大于臨界孿晶應力，可以形成形變孿晶，但是由于應力不夠大，所以僅形成具有一個取向的形變孿晶。隨著深度的進一步減小，具有一個取向的形變孿晶和α相基體在絕熱溫度下由于形變程度的增加轉變?yōu)閬單⒚拙Я?。在表面（約500 nm）和次表面（約2 μm）處，由于LSP 產(chǎn)生的巨大應力，形成了具有兩種取向的形變孿晶，這種相互作用的孿晶比單一取向的孿晶更加穩(wěn)定。此外，表層的這些相交孿晶在足夠高的絕熱溫度下可以通過動態(tài)再結晶轉變成納米晶粒，并在材料近表面形成梯度微結構?；谏鲜鰴C制，經(jīng)LSP 處理過的EBM 成形TC4鈦合金的疲勞強度顯著提高，如圖8所示。

圖8 LSP 處理前后的EBM 成形TC4鈦合金S–N 曲線[61]Fig.8 S–N curves of EBM TC4 samples before and after LSP[61]

Chen 等[44]采用LSP 處理了SLM 成形納米TiC 顆粒增強Inconel 625 復合材料，并對其微觀組織結構進行了觀察，發(fā)現(xiàn)LSP 樣品中的大量柱狀枝晶結構轉變?yōu)榘麪钪ЫY構，形成具有高位錯密度的位錯墻和位錯纏結，光學顯微鏡（Optical microscope，OM）及SEM 表征結果如圖9所示。在LSP 處理后，材料內部的柱狀枝晶轉變?yōu)榘麪钪В▓D9（a）），位錯密度增加，大量位錯聚集在胞狀結構的邊界上，形成位錯墻（圖9（d）），在一些胞狀結構的邊界和內部產(chǎn)生位錯纏結（圖9（d））。Lu 等[63]對LDED 成形TC4 合金部件進行層間激光處理后，發(fā)現(xiàn)在激光沖擊影響區(qū)形成了梯度微結構，如圖10所示。在LSP 處理后，表面產(chǎn)生嚴重塑性變形，在上表面附近，由超細平行或交叉層狀晶粒組成（圖10（d）），而在上表層下方，晶粒顯示出較大的層狀晶粒，如圖10（e）所示。在上表面以下約600 μm 深度處的典型微結構，包含粗α–板條，如圖10（f）所示，也比原始α–板條略細。沉積層中的粗晶粒細化為片狀細晶和超細晶粒，細化層深度約為600 μm。同時，沉積層顯微組織細化也阻止了試樣中柱狀晶的外延生長，且由于再結晶行為的作用，等軸晶粒和短柱狀晶粒沿沉積方向交替分布，形成交替分布的獨特結構。

圖9 LSP 處理SLM 成形TiC/Inconel 625 OM 及SEM 圖像[44]Fig.9 OM and SEM images of SLMed TiC/Inconel 625 after LSP[44]

圖10 LSP 處理前后LDED 成形TC4 沉積層EBSD 圖像[63]Fig.10 EBSD images of single deposited layer before and after LSP treatment[63]

上述研究表明，位錯運動和形變孿晶是在激光沖擊過程中誘發(fā)細化晶粒的兩種主要機制。由Hall–Petch 關系[64]可以知道，晶粒尺寸的減小可以提高材料的強度。另外，隨著晶粒細化，受影響區(qū)域中的晶粒具有更大的取向差，這抑制了位錯在晶粒內的運動和晶界處的堆積，材料產(chǎn)生裂紋所需循環(huán)數(shù)更高，裂紋擴展速率也降低，材料的疲勞強度得到提高。此外，LSP 引入了大量的位錯，位錯提供的額外成核位增強了析出強化的效果，使材料性能進一步提高[65]。在這些因素的共同作用下，LSP 處理后的材料疲勞性能得到明顯改善。

3.3 殘余應力

現(xiàn)有研究已經(jīng)表明，殘余應力的分布是影響金屬疲勞性能的關鍵因素[42，46，66–67]。在增材制造過程中，堆積層的反復快速加熱和冷卻過程使金屬經(jīng)歷了復雜的熱循環(huán)，這一過程對殘余應力分布有顯著的影響。當堆積層局部區(qū)域被高能光束（激光/電子束）快速加熱時產(chǎn)生膨脹，但隨后受到周圍材料的擠壓，產(chǎn)生局部壓縮塑性應變[66]。在隨后的快速冷卻過程中，增材區(qū)域的金屬收縮又產(chǎn)生了殘余拉應力[30]。在循環(huán)載荷作用下，殘余拉應力作為附加裂紋驅動力，增大了疲勞裂紋擴展速率，使成形件的疲勞壽命明顯降低，構件疲勞性能較差[68]。增材成形過程產(chǎn)生的復雜殘余應力分布給LSP 的效果帶來了不確定性[67]。

鑒于此問題，研究者們對增材構件激光沖擊處理前后的殘余應力進行了多方面的研究[7，57–58，60，69–73]。Luo 等[69]研究了SLM 成形TC17鈦合金LSP 處理后的表面及深度殘余應力分布，結果如圖11所示；在LSP 處理后，表面殘余應力分布發(fā)生顯著變化，殘余應力由拉應力轉變?yōu)閴簯Γ唤孛嫔显谏疃?.5 mm 內的區(qū)域，拉伸殘余應力轉變?yōu)閴嚎s殘余應力，大小沿深度逐漸減?。▓D11（d））。樣品的疲勞極限也因此較未經(jīng)LSP 處理的樣品提高了23.6%，相比基材樣品提高了12.5%，如圖12所示。Aguado–Montero 等[42]研究了SLM 成形TC4 樣品分別在表面噴丸強化、LSP 以及化學輔助表面強化處理后的疲勞性能變化。結果表明，相比于其他兩種后處理技術，LSP 不會顯著改變表面粗糙度，但是產(chǎn)生了峰值略低但比噴丸強化分布得更深的殘余壓應力（圖13），這一因素使LSP 處理的樣品在3 種后處理方式中疲勞強度最高。增材成形過程中引入的高拉伸殘余應力增加了疲勞循環(huán)過程中的有效平均應力，導致裂紋形成和擴展速率加快，從而降低了疲勞強度。而LSP 誘導產(chǎn)生的近表面梯度塑性變形引起梯度殘余壓應力的產(chǎn)生，一方面降低了循環(huán)過程中的有效平均應力，另一方面沿深度方向的梯度殘余壓應力分布，使得裂紋更難在表層或近表層萌生及擴展，提升材料疲勞性能。

圖11 SLM 制造TC17 在LSP 處理前后殘余應力分布[69]Fig.11 Residual stress curves measured for samples before and after LSP for SLM TC17[69]

圖12 不同工藝TC17 試樣疲勞極限[69]Fig.12 Fatigue limit of TC17 in different process[69]

圖13 不同處理方式PBF 成形TC4 深度方向殘余應力[42]Fig.13 Residual stress along depth of PBF TC4 in different treatments[42]

研究者們嘗試對疲勞斷口進行分析來解釋殘余應力對疲勞性能的影響[32，69]，如Jiang 等[32]觀察了LSP處理SLM 成形TC4 部件的疲勞斷口（圖14），發(fā)現(xiàn)在疲勞斷裂過程中，大多數(shù)疲勞裂紋是從近表面的缺陷開始的，而在LSP 處理部件的疲勞斷口中觀察到了不同的裂紋萌生模式，即裂紋傾向于從側面或內部缺陷萌生。圖14（a）給出了樣品的疲勞斷裂表面的宏觀視圖，主裂紋從沒有經(jīng)過強化處理的側面的中部萌生（虛線所示），大多數(shù)裂紋從初始位置向外擴展，但是延伸到表面的裂紋擴展方向改變，并且沿著平行于LSP 影響區(qū)的方向擴展（實線箭頭）。圖14（b）中的放大圖顯示局部裂紋偏離平行于表面的方向，避開了殘余應力影響區(qū)域，擴展到了材料內部，證明了殘余應力分布區(qū)域對裂紋擴展的阻礙作用。當裂紋擴展接近殘余應力分布區(qū)域時，殘余應力的存在使裂紋尖端的有效外加應力和應力強度因子減少，同時引起裂紋閉合效應，降低了裂紋擴展速率[74]，提高了材料的疲勞性能。

圖14 SLM 成形TC4 試樣在LSP 處理后的疲勞斷口SEM 圖[32]Fig.14 SEM images of fatigue fracture surface of SLMed TC4 after LSP[32]

4 激光沖擊與增材制造復合工藝改善金屬疲勞性能

由于LSP 技術在傳統(tǒng)加工金屬材料細化組織、調控應力分布、提高疲勞性能等方面的積極作用，除了上述采用LSP 作為后處理方式改善疲勞性能外，研究人員也正在不斷嘗試將LSP 與增材制造結合，即在增材制造過程中同時施加LSP，從而改善增材成形過程中因溫度梯度而產(chǎn)生的微觀組織缺陷及殘余應力分布，提高增材制造零部件疲勞性能?；诖讼敕ǎ瑸榱颂岣週SP 對增材制造零部件的強化效果，進一步提高樣品近表面壓縮殘余應力的深度和大小，Kalentics 等[74–76]首次提出了3D–LSP 的概念，并對此進行了大量研究。

區(qū)別于增材成形過程完成后再進行LSP 后處理的技術（2D–LSP），3D–LSP 是指在增材制造工藝過程中引入LSP，其原理如圖15所示[56]。在使用增材制造工藝完成材料的若干層成形后，將其取出對其表面進行LSP，隨后繼續(xù)增材制造工藝。3D–LSP 可減少增材過程中的內部殘余拉應力積累，且可影響材料內部殘余應力場，大大增加LSP 的影響深度。Kalentics 等[51]使用不銹鋼材料進行了3D–LSP 試驗，比較未處理及傳統(tǒng)LSP 后處理的樣品，結果表明，LSP可以將拉伸殘余應力轉化為壓縮殘余應力，且3D–LSP 技術相較于傳統(tǒng)的2D–LSP 工藝，其產(chǎn)生的殘余應力峰值略有提高，而殘余應力影響深度大大增加，如圖16所示。此外，測量3 種樣品的孔隙率，發(fā)現(xiàn)2D–LSP 處理對距表面400 μm 之內的孔隙有閉合效果，而對于3D–LSP 技術，這一深度增大到了700 μm。上述兩種因素均使得3D–LSP 技術所生產(chǎn)的零件的疲勞壽命和疲勞極限得到了顯著提高，比如3D–LSP 使316L 不銹鋼的疲勞壽命增加了14 倍以上，與傳統(tǒng)制造相比增加了57 倍以上[51]，如圖17所示。

圖15 3D–LSP 技術示意圖[56]Fig.15 Schematic diagram of 3D–LSP technology[56]

圖16 未處理和2D–LSP 及3D–LSP 處理后SLM 制造316L 樣品殘余應力分布[51]Fig.16 Residual stress measured for SLMed 316L samples before and after treated by 2D–LSP and 3D–LSP[51]

圖17 未處理和2D–LSP 及3D–LSP 處理后SLM 制造316L 樣品疲勞壽命曲線[51]Fig.17 Fatigue life curves for SLMed 316L samples before and after treatment by 2D–LSP and 3D–LSP[51]

值得關注的是，由于LSP 與LAM所用熱源相同，有研究者正嘗試將LSP 引入激光增材原位過程[33，56]。Zhang 等[56]提出了一種新的原位復合增材制造方法，即激光沖擊鍛造（Laser shock forging，LSF）技術，將LSP 和激光定向能量沉積結合。以原位方式在激光熔化沉積過程引入LSP，其原理如圖18所示。用于沖擊強化的激光束可調節(jié)成與用于金屬定向沉積的激光束同步移動并保持一定距離，確保LSP 作用在材料冷卻到鍛造溫度的區(qū)域，從而將零部件的拉伸殘余應力轉換為壓縮殘余應力。對比未經(jīng)處理、LSP 后處理和激光沖擊鍛造處理的316L 不銹鋼試樣的殘余應布，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)LSP 后處理相比，LSF 處理增加了殘余壓應力的量級和深度[56]（圖19）。謝地輝等[77]研究了H13 模具鋼表面LSF 涂層的組織及性能，發(fā)現(xiàn)LSF在涂層表層引入了殘余壓應力。隨著激光沖擊鍛打頻率的增大，涂層表面的殘余拉應力逐漸減小，且逐漸轉變?yōu)闅堄鄩簯Γ砻骘@微硬度也逐漸增大。Fan 等[78]使用電弧焊–激光沖擊鍛造（AW–LSF）技術修復Q235 鋼管，研究了工藝參數(shù)對焊縫幾何形狀和顯微硬度的影響。相較于傳統(tǒng)電弧焊技術，AW–LSF 能改善微觀組織結構，使熔覆層晶粒細化，有助于提高疲勞性能。以上因素表明LSF 技術較LSP 技術強化效果更好，有望進一步提高增材制造零部件的疲勞壽命。

圖18 LSF 技術原理示意圖[56]Fig.18 Schematic diagram of LSF technology[56]

圖19 不同處理技術的SLM 制造316L試樣殘余應力分布[56]Fig.19 Residual stress profiles for SLMed 316L specimens treated by different techniques[56]

相比于常規(guī)的LSP 后處理增材制造金屬的非原位技術，LSP 與增材工藝復合技術不僅能提高LSP 的強化效果，進一步降低材料內部孔隙率，改善材料更深處的微觀組織結構，從而提高材料的疲勞性能；還可以減少殘余拉應力的積累，以避免某些難加工材料（如鎳基高溫合金）因變形導致的加工失敗[51]。

5 結論

LSP 較其他表面改性技術，具有強化效果更好、可操控性強、適用性好等優(yōu)勢，在航空制造領域得到了越來越廣泛的應用與研究?，F(xiàn)有研究表明，LSP 作為后處理手段，可以大幅降低增材制造金屬表面附近的孔隙率，以形成納米晶、形變孿晶、等軸亞微米晶粒、梯度結構等形式有效調控表面的微觀組織結構，并能引入可觀的表面殘余壓應力，協(xié)同提升疲勞性能；LSP 與增材制造復合工藝，即在增材制造過程中同時施加LSP，可獲得更大的殘余應力及其分布深度，對增材制造金屬疲勞性能的改善更為顯著。因此，LSP 技術在提升增材制造部件疲勞性能及服役壽命方面，展現(xiàn)了誘人的應用前景。

盡管如此，仍有大量的工作亟待開展。首先，在機理方面，LSP 作為后處理方式調控增材制造金屬表面的孔隙率、微觀組織結構和殘余應力的微觀機制仍不清晰，LSP 和增材制造同時作用時的沖擊波對熔池、凝固、晶粒生長等的影響機制也不清楚，需要結合多尺度計算和多尺度表征研究；其次，在數(shù)值模擬方面，尚未有考慮LSP 的增材制造工藝流程仿真模型及計算方法，需要融合LSP與增材制造的工藝仿真模型，并融入沖擊波的作用；再次，在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，針對具體的材料體系，尚未形成一套最優(yōu)的LSP 與增材制造工藝參數(shù)，可結合大數(shù)據(jù)分析等相關手段解決工藝參數(shù)優(yōu)化問題，且實驗室階段獲得的工藝參數(shù)可能存在穩(wěn)定性和可重復性問題，仍需大量試驗和仿真研究；最后，在裝備方面，目前研究采用設備大多是試驗性的，沒有嚴格的測試和認證，尚未有成熟可商用的LSP 與增材制造聯(lián)用設備，研發(fā)相關設備、制定系統(tǒng)資質標準、推動該技術商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化，大有可為。