激光沖擊噴丸技術(shù)的最新進展和新應(yīng)用（1）

行業(yè)動態(tài) 2022-04-30 18:39

江蘇激光聯(lián)盟陳長軍導讀：

本文綜述了殘余壓應(yīng)力和晶粒細化對金屬材料機械性能的影響，討論了LSP的最新發(fā)展和目前面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。本文為第一部分。

摘要

激光沖擊強化(LSP)通過在近表面區(qū)域誘導加工硬化和有益的殘余壓應(yīng)力，改善了許多金屬構(gòu)件的疲勞性能。近年來，LSP在增材制造、陶瓷和金屬玻璃等新興領(lǐng)域有了許多新的應(yīng)用。此外，還報道了基于LSP的創(chuàng)新工藝開發(fā)，包括溫LSP、低溫LSP、電脈沖輔助LSP、無涂層激光噴丸、飛秒LSP和激光噴丸成形。本文旨在對LSP工藝進行全面回顧，重點介紹其新的應(yīng)用和創(chuàng)新工藝開發(fā)。簡要回顧了LSP的歷史和關(guān)鍵事件。還討論了LSP的基本機理，包括高能脈沖激光產(chǎn)生沖擊波、沖擊波產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力、對裂紋擴展的影響，以及LSP如何誘導晶粒細化。綜述了殘余壓應(yīng)力和晶粒細化對金屬材料機械性能的影響。討論了LSP的最新發(fā)展，如基于LSP的創(chuàng)新工藝開發(fā)及其新應(yīng)用。最后，還討論了LSP技術(shù)目前面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。

1．介紹

磨損、腐蝕和疲勞是金屬材料80%以上失效的原因。由于磨損、腐蝕和疲勞引起的大多數(shù)故障都是從材料表面開始的，因此表面完整性對材料的整體性能有著至關(guān)重要的影響。表面完整性特征，包括硬度、微觀結(jié)構(gòu)、形貌、粗糙度和殘余應(yīng)力狀態(tài)，可以顯著影響磨損和腐蝕行為。通過提高硬度和在近表面區(qū)域引入有益的壓縮殘余應(yīng)力，激光沖擊噴丸（LSP）可以顯著改善金屬材料的疲勞性能。

在LSP過程中，來自高能脈沖激光的光穿透透明約束介質(zhì)并照射燒蝕涂層，迅速將受影響區(qū)域加熱到高溫并產(chǎn)生高壓等離子體。等離子體的膨脹會產(chǎn)生沖擊波，使目標金屬發(fā)生塑性變形，導致加工硬化和壓縮殘余應(yīng)力。與噴丸（SP）相比，LSP具有以下優(yōu)點。1） LSP可以產(chǎn)生更深層次的壓縮殘余應(yīng)力；2） LSP中的工藝參數(shù)可以精確控制；3） LSP后的零件表面完整性得到改善，無需進行后處理；4） LSP可用于處理具有復(fù)雜幾何形狀的部件；5）LSP處理效率高，有利于清潔的工作環(huán)境。由于LSP代表了可以替代SP的新一代表面強化技術(shù)，因此得到了廣泛關(guān)注。

Askaryan和Moroz測量了高強度激光束對金屬目標表面施加的壓力，發(fā)現(xiàn)該壓力足以控制航天器。然而，這些實驗是在真空條件下進行的，以防止介質(zhì)擊穿，這種條件在工業(yè)上并不實用。來自Sandia實驗室的Anderholm用激光束照射石英覆蓋的鋁膜，發(fā)現(xiàn)透明約束層的存在可以顯著增加沖擊壓力。雖然這個實驗也是在真空中進行的，但它證明，在透明約束層的存在下，在空氣中不會導致介質(zhì)擊穿的激光功率密度也可以產(chǎn)生足夠大的沖擊壓力。這一觀察結(jié)果對于涉及激光產(chǎn)生的沖擊波的后期工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。

來自Battelle Memorial Institute的Fairand等人通過高功率密度的短脈沖激光誘導沖擊波改變了7075鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過處理后，合金的抗應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）和疲勞性能得到了改善。這是LSP發(fā)展的關(guān)鍵事件，在這項研究之后，美國國家科學基金會開始支持對LSP的研究。Clauer等人通過在樣品表面使用不同的限制層和吸收層組合，改變了沖擊波的強度和持續(xù)時間。研究發(fā)現(xiàn)，在有約束層的情況下，沖擊波壓力可以達到GPa水平，金屬材料的疲勞性能可以顯著提高。因此，這種透明約束層和吸收層的組合也成為LSP的典型模型。

SCLSP和HCLSP的重疊樣式。

一項實驗中采用法國GAIA-R Nd:YAG激光器進行LSP實驗。采用波長為1.064?μm、脈沖寬度(FWHM)為10?ns的Top-Hat激光進行SCLSP和HCLSP處理。聚焦后的激光光斑直徑為3?mm。激光脈沖能量為3?J，對應(yīng)的功率密度為4.24?GW/cm2。在重疊處理中，如上圖所示的樣式的重疊率為13.4%，以最小化表面粗糙度增加（由I區(qū)和II區(qū)的不同沖擊時間引起）。

然而，由于當時缺乏能夠產(chǎn)生短持續(xù)時間高能脈沖光束的可靠激光系統(tǒng)，LSP技術(shù)無法實際用于工業(yè)應(yīng)用。Lawrence Livermore國家實驗室成功研制出第一臺板條結(jié)構(gòu)釹玻璃激光器；這臺激光器的脈沖能量是200?J、脈沖持續(xù)時間為20秒? ns。從那時起，LSP被認為是一種可行的表面處理技術(shù)，可以顯著改善金屬材料的機械性能，并開始商業(yè)化。一些美國研究人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過LSP處理后，受損的F101風機葉片顯示出比新葉片更高的疲勞強度。LSP隨后被用于處理F119發(fā)動機上的第四級整體葉片轉(zhuǎn)子。

LSP處理可大大提高耐久性，防止表面裂紋，從而延長使用壽命，降低維護和維修成本。Leap等人報告說，LSP在改善艦載飛機鯊鉤的疲勞性能方面優(yōu)于SP。目前，LSP被廣泛用于多種合金的處理，如Ti?6Al?4V， Al2024， Inconel 718和Al7075。LSP在生物醫(yī)學植入物治療中的應(yīng)用也有報道。Sealy等人利用LSP處理骨科植入物用的鎂-鈣合金，發(fā)現(xiàn)LSP可以同時提高抗腐蝕性能和疲勞性能，抑制植入物在人體內(nèi)的快速降解和失效。Xiong等人結(jié)合LSP和微弧氧化技術(shù)，進一步提高鎂合金植入物的抗應(yīng)力腐蝕能力。Zhang等人通過LSP改善了鎂合金植入物的機械性能，同時不影響細胞相容性。

隨著對性能改善材料需求的增加，LSP的應(yīng)用將進一步擴展到汽車工業(yè)、核工業(yè)、造船工業(yè)、石化工業(yè)、生物醫(yī)學工業(yè)等領(lǐng)域。

除了LSP技術(shù)在工業(yè)上的發(fā)展，學術(shù)界對LSP過程的理解也有了重大進展。例如，F(xiàn)abbro等提出了一個分析模型，使用有限元法（FEM）來研究和描述沖擊波壓力與LSP加工中使用的材料特性和激光參數(shù)之間的關(guān)系。Oca?a及其同事提出了一個全面的模型來理解激光沖擊過程。Wu和Shin提出了一個自封閉熱模型，用于研究LSP過程中激光燒蝕和等離子體形成與膨脹的物理過程；該模型能夠預(yù)測不同LSP條件下的血漿壓力。為了進一步了解LSP對金屬材料微觀結(jié)構(gòu)的影響，Lu及其同事通過實驗研究了LSP過程中不同目標材料的微觀結(jié)構(gòu)變化，并提出了幾種不同的晶粒細化機制。

還開發(fā)了許多創(chuàng)新的LSP工藝，以應(yīng)對LSP應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。Sano等人提出了無涂層LSP（LPwC），它使用低能激光加工金屬部件。隨后發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可提高沸水反應(yīng)器的抗應(yīng)力腐蝕性能。鑒于現(xiàn)有LSP技術(shù)的缺點，一些學者提出了新的LSP技術(shù)，如溫熱LSP（WLSP），低溫LSP（CLSP），電脈沖輔助LSP（EP-LSP）和飛秒LSP（FLSP）。為了應(yīng)對當前增材制造（AM）技術(shù)的流行，Kalentics等人和Lu等人將選擇性激光熔化（SLM）與LSP相結(jié)合，以更好地管理增材制造金屬的殘余應(yīng)力、微觀結(jié)構(gòu)和孔隙率。

目前已經(jīng)發(fā)表了多篇關(guān)于LSP的總數(shù)文章。例如，Montross等人系統(tǒng)地討論了LSP對金屬合金微觀結(jié)構(gòu)和機械性能的影響。Gujba等人將LSP與SP和超聲波沖擊噴丸進行了比較。Liao等人總結(jié)了WLSP的基本機理及其對金屬材料機械性能的影響。Kalainathan等人探索了LPwC的主要機理和工藝參數(shù)，以及它們對不同材料的影響。Clauer發(fā)表了一篇綜述文章，討論了從激光誘導等離子體的發(fā)現(xiàn)到LSP商業(yè)化的歷史路徑。然而，近年來發(fā)表的許多關(guān)于LSP的重要研究沒有在任何綜述中提及。例如，其中包括LSP在增材制造金屬、金屬玻璃、陶瓷和其他材料中的應(yīng)用。其他重要的研究集中在LSP過程，包括EP-LSP、CLSP和FLSP。

因此，本綜述的目的是全面概述LSP，重點介紹LSP研究的最新進展。首先，將考慮LSP的基本機制，包括沖擊波的產(chǎn)生及其如何影響殘余應(yīng)力狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)。接下來，將討論LSP對金屬材料機械性能的影響。隨后，討論了LSP研究的最新進展，包括WLSP、EP-LSP、CLSP、LPwC、FLSP、激光噴丸成形（LPF），以及LSP在增材制造金屬、陶瓷和金屬玻璃中的應(yīng)用。最后，提出了應(yīng)用LSP目前面臨的挑戰(zhàn)，以及未來的研究和發(fā)展方向。

LSP前后Ti6Al4V鈦合金的顯微組織。（a）和（b）LSP后近表面橫截面積的光學圖像；（c） LSP前后的SEM圖像；（e）（f）c和d中α晶粒的粒度分布。

上圖a和b顯示了LSP后片狀Ti6Al4V鈦合金的OM圖像。觀察到少量孔隙，但無明顯裂縫或不完全溶解。細化的等軸α晶粒在圖a中可以清晰地觀察到明亮相，在圖b的偏振光圖像中可以清楚地觀察到紫色相。如圖b所示，細化層的厚度可以達到400?μm。圖c和d顯示了LSP前后晶粒結(jié)構(gòu)的SEM圖像。

2.LSP的基本機制

2.1 LSP過程中產(chǎn)生的沖擊波

LSP過程示意圖如圖1所示。在典型的LSP裝置中，吸收層和限制層覆蓋樣品表面。黑漆和鋁箔通常用作吸收層，以防止金屬材料蒸發(fā)和蒸發(fā)，而水或BK7光學玻璃通常用作限制層，以限制激光誘導等離子體的膨脹，從而增加沖擊波壓力和持續(xù)時間。保護層和約束層材料的選擇很重要，因為它們會影響沖擊壓力和持續(xù)時間。Sano等人研究了不同約束介質(zhì)對沖擊波壓力的影響，發(fā)現(xiàn)等離子體在空氣中的膨脹速度大約是在水中的20倍。膨脹速度過快會導致沖擊波壓力降低。Li等人利用K9光學硼硅酸鹽冠玻璃作為約束層，發(fā)現(xiàn)K9玻璃可以通過一種類似于用水的機制顯著增加沖擊波的峰值壓力。因此，使用水或玻璃作為約束層可以確保沖擊波壓力的充分積累，從而增加峰值壓力和持續(xù)時間。

圖1 LSP實驗裝置的示意圖。

Zhou等人發(fā)現(xiàn)，在水層或玻璃的一定厚度范圍內(nèi)，增加水層厚度可以增加峰值壓力；然而，一旦超過臨界值，繼續(xù)增加約束層的厚度將降低峰值壓力，因為水膜可以散射激光，而較厚的水膜將吸收大量等離子體能量。此外，Takata等人通過聲發(fā)射分析研究了不同約束層參數(shù)（如溫度、厚度和粘度）對沖擊波壓力的影響。他們發(fā)現(xiàn)，沖擊波壓力隨約束層的粘度增加而增加。最近，Xiong等人利用分子動力學模擬在微觀尺度上研究了LSP中保護層和限制層的影響，他們發(fā)現(xiàn)雖然限制層可以有效地提高峰值壓力，但保護層對壓力的影響很小，并且會在目標表面引入雜質(zhì)。因此，為了獲得更好的加固效果，有必要為保護層和約束層選擇合適的材料和合適的材料參數(shù)。

在LSP過程中，脈沖激光束穿過透明限制層并照射吸收層。吸收層吸收激光能量，然后蒸發(fā)和電離。當表面上的能量足夠高時，等離子體就形成了，它將繼續(xù)吸收激光能量。由于約束層的存在，膨脹等離子體產(chǎn)生的沖擊波可以穿透目標材料。當沖擊波壓力超過材料的Hugoniot彈性極限（HEL）時，會發(fā)生塑性變形，導致材料表層的微觀結(jié)構(gòu)變化，如晶格畸變、位錯生成和晶粒細化。此外，LSP還在近表面區(qū)域產(chǎn)生有益的壓縮殘余應(yīng)力，這將大大改善疲勞性能。

Fabbro及其同事提出了一個分析模型，用于描述存在約束層時等離子體壓力和激光參數(shù)之間的關(guān)系。例如，圖2顯示了激光強度P(t) I(t) (Im=3?GW?cm?2) 和α=0.05時的壓力歷史。可以觀察到，最大壓力與激光功率密度的平方根成正比。圖3顯示了峰值壓力與從分析模型和實驗中獲得的激光功率密度的函數(shù)關(guān)系?？梢杂^察到，當激光功率密度超過臨界值時，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果不再一致。在高激光功率密度區(qū)，峰值壓力不再隨激光功率密度增加而增加，這可以用介質(zhì)擊穿效應(yīng)來解釋。

圖2 激光強度分布和相應(yīng)的沖擊壓力分布（α?=?0.05和 Im?=?3?GW?cm?2)。

圖3作為激光功率密度函數(shù)的峰值壓力測量。

為了提高沖擊波壓力預(yù)測的準確性，Jiang等人考慮了等離子體傳播過程中目標和約束層的性質(zhì)變化。

2.2 LSP產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力

在LSP過程中，激光誘導等離子體產(chǎn)生的沖擊波到達目標材料表面。到達時，沖擊波壓力的強度超過材料的HEL，但隨著傳播而衰減。因此，頂面層將承受垂直于表面的壓縮塑性變形，變形平行于表面擴展。當沖擊波在材料中傳播時，其大小會衰減，當沖擊波壓力低于HEL時，塑性變形區(qū)周圍會發(fā)生彈性變形。沖擊波消散后，彈性變形將恢復(fù)，塑性變形區(qū)將受到彈性變形材料的反作用力，產(chǎn)生有利的壓縮殘余應(yīng)力場。該過程的示意圖如圖4所示。

圖4 LSP產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力示意圖。

Lu和同事測量了經(jīng)過多輪LSP處理的LY2鋁的殘余應(yīng)力，并驗證了LSP誘導的塑性應(yīng)變可以在頂面上產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力層。隨著沖擊波在材料中傳播時衰減，塑性變形程度將逐漸降低，殘余應(yīng)力值也將隨深度而降低。從圖5可以看出，壓縮應(yīng)力的最大值存在于樣品表面，并沿垂直于表面的方向逐漸減小至零。然后它轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，產(chǎn)生拉應(yīng)力以平衡壓應(yīng)力。此外，殘余壓應(yīng)力的大小和深度將隨著沖擊次數(shù)的增加而增加。隨著撞擊次數(shù)的增加，目標的塑性應(yīng)變增加，導致更高的應(yīng)力值和更深的壓縮層。

圖5多次LSP沖擊后LSP處理樣品的深度殘余應(yīng)力，插圖顯示了沖擊時間。

為了平衡扭矩，LSP處理的樣品中也會產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。這些應(yīng)力會加速疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展，因此不允許出現(xiàn)在部件的關(guān)鍵區(qū)域。因此，必須仔細設(shè)計LSP加工模式，以確保殘余應(yīng)力得到適當分布，尤其是對于具有復(fù)雜幾何形狀的部件。Zhao等人利用FEM模擬了不同LSP模式裂紋附近的殘余應(yīng)力分布。已經(jīng)證明，在優(yōu)化LSP模式時，通過降低有效應(yīng)力強度因子（SIF，見圖6），可以最大程度地降低疲勞裂紋擴展速率。由于該數(shù)值研究已通過實驗數(shù)據(jù)得到驗證，因此，將FEM和SIF相結(jié)合的數(shù)值方法已被證明是設(shè)計適當LSP策略以更好地提高金屬材料疲勞強度的有效方法。