激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)

2024年3月29日發(fā)(作者：迷糊的媽媽)

.

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)

摘要：本文主要從作用機(jī)理、強(qiáng)化機(jī)理及影響因素等方面系統(tǒng)的介紹了激光表面強(qiáng)化技術(shù)。

關(guān)鍵詞：激光表面強(qiáng)化、沖擊波、晶粒細(xì)化

Lar Shock Processing Technology

Abstract: This article mainly introduces Lar shock processing (LSP) from the respect of the

interaction mechanism, the strengthening mechanism and the influencing factors.

Keyword：LSP ，shock wave， grain refinement

1 引言

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)((Lar shock processing，簡稱LSP)作為一種新興的表面改性處

理技術(shù)起始于上世紀(jì)六十年代，也是當(dāng)代具有重要意義的自然科學(xué)發(fā)明之一。在激光表面處

理技術(shù)應(yīng)用之初，科學(xué)家們意外發(fā)現(xiàn)激光脈沖可以產(chǎn)生肉眼無法察覺的沖擊波，如果沖擊波

能夠連續(xù)作用于金屬表面，會(huì)在金屬表層形成壓應(yīng)力，這種壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于材料本身的屈服強(qiáng)

度，能夠在金屬表面形成一定深度的高幅值殘余壓應(yīng)力層，使表層材料得到硬化，晶粒細(xì)化，

[1]

通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的性能的強(qiáng)化處理。激光表面處理技術(shù)在發(fā)展過程中出現(xiàn)了

多種形式的處理方法，包括主要激光相變硬化(Lar Hardening)、激光熔覆(Lar

Cladding)、激光表面合金化(Lar Alloying)、激光沖擊強(qiáng)化處理(Lar Shock Processing，

[1]

LSP)、激光沖擊成形技術(shù)(Lar Shock Forming，LSF)等。作為一項(xiàng)相較于傳統(tǒng)工藝，清

潔高效的高新技術(shù)，目前激光表面處已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍工國防、航空航天等領(lǐng)域，例如微精

密設(shè)備的小孔強(qiáng)化，損傷葉輪修復(fù)以及水下設(shè)備的抗腐蝕性強(qiáng)化和焊縫延壽等。

2 國外激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)七十年代，Battelle’s Columbus等科學(xué)家設(shè)計(jì)并制造出了能夠進(jìn)行激光沖擊

[1]

實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；在1972年，科學(xué)家Fairand B.P.等人利用高功率脈沖激光對(duì)鋁合金的

機(jī)械性能和微觀組織進(jìn)行檢測(cè)和分析，證明了激光沖擊對(duì)鋁合金的強(qiáng)化作用，經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

明鋁合金的屈服強(qiáng)度提升了30%左右，這個(gè)結(jié)果也正式掀起了激光沖擊對(duì)材料優(yōu)化研究的序

[1]

幕。此后，F(xiàn)abbro.R等人于1987年論述了激光與金屬材料相互作用產(chǎn)生沖擊波的關(guān)系，

提出并驗(yàn)證了約束模式下激光沖擊波峰值壓力的估算公式。

目前激光沖擊技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、軍工裝備等多方面領(lǐng)域，并

起著舉足輕重的作用。當(dāng)前國外學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)就激光沖擊強(qiáng)化而言，主要就以下幾個(gè)方面

進(jìn)行研究：

1.激光沖擊強(qiáng)化的物理性研究：研究重點(diǎn)在于解析強(qiáng)化過程中的物理效應(yīng)、沖擊波與

[1][2]

靶材部結(jié)構(gòu)相互作用的機(jī)理和類型，建立激光誘導(dǎo)爆轟波的理論模型并對(duì)其進(jìn)行分析。

2. 激光沖擊強(qiáng)化作用機(jī)理的研究：研究容主要是從表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力和微

觀組織等角度對(duì)激光沖擊處理之所以能夠有效提升靶材的抗疲勞、耐腐蝕、抗摩擦磨損等性

[1]

能進(jìn)行規(guī)律分析、機(jī)制分析等相關(guān)研究。

3.工程技術(shù)領(lǐng)用的應(yīng)用性研究：對(duì)激光加工系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)沖

擊區(qū)域性能的評(píng)測(cè)以及強(qiáng)化過程的在線研究進(jìn)行合理的設(shè)置等等。

中國激光沖擊強(qiáng)化研究雖然起步較晚，但近些年來發(fā)展迅速，并且已經(jīng)成功將該項(xiàng)技

. .

.

術(shù)應(yīng)用于軍事航空領(lǐng)域，擁有了多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，取得了大量的研究成果，為實(shí)現(xiàn)激光強(qiáng)

化工業(yè)化的具體實(shí)施奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。清華大學(xué)提出了利用激光沖擊處理來制備表面高性

能納米涂層，并設(shè)計(jì)出了完備的加工工藝，此項(xiàng)技術(shù)的提出將激光沖擊和納米復(fù)合材料制備

技術(shù)結(jié)合，為制備納米復(fù)合涂層打開了新的思路。

3.1 激光沖擊強(qiáng)化原理

激光沖擊處理是使用GW/cm級(jí)的高功率密度和ns級(jí)的短脈沖寬度的強(qiáng)激光輻照材料表

面，利用激光與輻照金屬表面材料相互作用的響應(yīng)過程，進(jìn)而對(duì)材料表層進(jìn)行性能優(yōu)化處理

的一種表面處理處理技術(shù)。

2

圖1.1 激光沖擊強(qiáng)化原理圖

Fig.1.1 Schematic of lar shock processing

在激光處理過程中，由于激光輻照作用的影響，激光會(huì)透過約束層被金屬材料表面附

著的能量吸收涂層吸收，因照射部位溫度在極短時(shí)間可以達(dá)到一個(gè)極高的值而氣化，氣化后

[4]

形成蒸汽電離，若繼續(xù)吸收激光輻照的能量則形成了等離子體。當(dāng)能量迅速積累達(dá)到臨界

值時(shí)，將會(huì)引起膨脹爆炸，激光持續(xù)作用形成的等離子體引起的爆轟波作用于金屬靶材表面，

形成方向指向金屬的沖擊波。當(dāng)沖擊波作用所引起的壓力遠(yuǎn)大于靶材本身所能承受的動(dòng)態(tài)屈

[4]

服強(qiáng)度時(shí)，沖擊波影響的區(qū)域就會(huì)發(fā)生超高應(yīng)變率作用下的塑性變形，伴隨著位錯(cuò)密度的

迅速增加，表層材料晶粒得到細(xì)化，并在金屬表層形成一定深度的高幅值殘余壓應(yīng)力區(qū)域，

同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)相變、孿晶等結(jié)構(gòu)變化，從而使材料的抗疲勞性、耐磨性、抗斷裂性等機(jī)械性

能得到改善。其基本原理如圖1.1所示。

3.2激光誘導(dǎo)的沖擊波

當(dāng)激光輻照于金屬表面時(shí)，能量大于一定的臨界值后，靶材的表面層會(huì)在短時(shí)間快速

吸收激光能量，高幅值的激光能量會(huì)造成表層產(chǎn)生熔融與氣化。在此過程中，因氣化作用生

成的蒸汽粒子會(huì)對(duì)激光能量進(jìn)一步吸收而造成自身能量的進(jìn)一步累積，巨大的能量將使得蒸

汽粒子發(fā)生電離現(xiàn)象，形成具有高溫高密度值的等離子體。等離子體在向四周擴(kuò)散和膨脹過

程中會(huì)形成具有極高壓力的沖擊波，這種沖擊波的壓力值大小會(huì)隨著激光能量強(qiáng)化的變化而

產(chǎn)生相應(yīng)的改變。根據(jù)激光能量的高低不同，沖擊波類型可以分為燃燒波及爆轟波兩類。在

2

整個(gè)激光沖擊處理過程中，激光功率密度可以達(dá)到GW/cm時(shí)等離子體誘導(dǎo)形成沖擊波被定

. .