激光冲击强化技术原理及其应用研究

第１期
有色 金属 加工
１１
金属材料表面的吸收层ꎬ吸收层材料吸收高能能量后 产生等离子体ꎬ同时伴随有升温、熔融、气化、喷溅等 现象ꎬ这是一种物理性质的爆轰波ꎮ 等离子体作为冲 击波能量的载体ꎬ吸收激光高能量而自持传播ꎮ 激光 等离子体的一部分能量以辐射的形式耗散ꎬ由于不同 波长的波之间存在着传播速度差ꎬ扰动波阵面在穿过 材料时会产生冲击波ꎮ １.２ 冲击波在材料内部的传播和相互作用
第 ４８ 卷 第 １ 期 ２０１９ 年 ２ 月
ＤＯＩ:１０.３９６９ / ｊ.ｉｓｓｎ.１６７１－６７９５.２０１９.００２
有色金属加工
ＮＯＮＦＥＲＲＯＵＳ ＭＥ ＴＡＬＳ ＰＲＯＣＮｏ������ １ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１９
激光冲击强化技术原理及其应用研究
２ 激光冲击强化基本原理
激光冲击强化原理如图 １ 所示ꎮ
图 １ 激光冲击强化过程原理图[１０] Ｆｉｇ.１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ＬＳＰ ｐｒｏｃｅｓｓ[１０]
在材料表面ꎬ有一个不透明的激光辐射吸收层ꎬ 其蒸发温度低ꎬ其上面覆盖有透明约束层( 常见的有
Ｋ９ 玻璃、硅油或流水) ꎮ 当短脉冲高峰值功率密度的 脉冲激光照射金属表面时ꎬ金属表面非透明层( 吸收 层) 吸收激光能量后使材料在超高应变速率下发生爆 炸性汽化蒸发[１１] ꎬ在金属表面和透明层( 约束层) 之 间形成高温高压的激光诱导等离子体ꎬ该等离子体的 分布受到约束层的限制ꎬ体积逐渐膨胀ꎬ由于存在空 间限制ꎬ最终电离爆炸ꎬ产生高压冲击波ꎬ在平行于冲 击表面的平面里产生双轴压应力场[１２] ꎮ 强化作用结 束后ꎬ由于冲击区域周围材料的反作用ꎬ在材料表层 形成密集且稳定的位错结构ꎬ其力学效应表现为材料 表面获得较高的残余压应力ꎬ残余压应力可引起裂纹 的闭合效应ꎬ从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力ꎬ 延长疲劳裂纹扩展寿命[１３] ꎮ 图 ２ 为残余压力场形成 原理ꎮ
连接件的疲劳寿命ꎬ降低孔边的裂纹扩展速率等[４] ꎮ 激光冲击强化技术同时是一项军民两用技术ꎬ与传统 表面强化技术相比ꎬ激光冲击强化在精密航空零件材 料强化方面有着显著优势ꎬ是目前应用最为广泛的先 进表面改性技术[５] ꎮ 近年来ꎬ随着人们对材料服役性 能的要求越来越高ꎬ激光冲击强化技术在航空航天、 轨道交通、石化、兵器、海洋船舶、医疗工业等领域显 示了巨大的技术优势和拥有着广阔的应用前景[６] ꎮ
刘学军１ꎬ２ ꎬ张旖诺１ ꎬ吴嘉俊１ ꎬ胡太友１ ꎬ张洪瑶１ ꎬ李长云２ ꎬ万烂军２
(１.中国科学院沈阳自动化研究所 装备制造技术研究室ꎬ辽宁 沈阳 １１００１６ꎻ ２.湖南工业大学 计算机学院ꎬ株洲 ４１２００７ )
摘 要:文章介绍了激光冲击强化技术的基本原理与特点ꎻ总结了激光冲击强化技术的国内外发展现状与成果ꎻ并对激 光冲击强化技术未来发展趋势进行了展望ꎮ 关键词:激光冲击强化ꎻ残余应力ꎻ等离子体ꎻ冲击波ꎻ疲劳寿命 中图分类号:ＴＮ２４９ 文献标识码:Ａ 文章编号:１６７１－６７９５(２０１９)０１－００１０－０６
金属材料的主要失效形式是疲劳、腐蚀和磨损ꎬ 而这些失效形式无一例外均开始于材料表面ꎬ所以金 属材料表面的结构及其综合性能直接影响着金属材 料的综合性能ꎮ 对于具有高强度结构的金属材料ꎬ由 于材料的抗疲劳强度要求高ꎬ因此激光冲击强化技术 可以满足材料的硬度、残余应力、组织损伤等“ 表面完 整性抗疲劳制造” 技术指标ꎬ比如可以提高带紧固孔
等离子体冲击波在一个高温高压的环境下产生ꎬ 器作用时间十分短暂( 为 ｎｓ 量级) ꎬ在这样的高温、高 压、极短时间的作用下材料会发生一系列复杂的组织 变化ꎬ同时在冲击强化的作用过程中ꎬ冲击波的峰值 压力远大于金属材料发生塑性变形时的屈服极限ꎬ当 冲击波压力大于金属材料弹性极限时ꎬ材料会发生动 态响应ꎬ形成动态塑性变形ꎮ
高能脉冲激光束穿过透明约束层后照射涂覆在
收稿日期:２０１８－１１－２６ 基金项目:国家自然科学基金(５１５０１２１９) ꎻ国家自然科学基金青年基金(６１７０２１７７) ꎻ国家科技支撑计划( ２０１５ＢＡＦ０８Ｂ０１－０１) ꎻ国家 基金委－辽宁省联合基金( Ｕ１６０８２５９) ꎻ国家重点研发计划(２０１６ＹＦＢ１１０２７０４) ꎻ湖南省教育厅创新平台开放基金项目(１７Ｋ０２９) 作者简介:刘学军(１９９３－) ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向:工业大数据分析ꎮ 通讯作者:吴嘉俊(１９９２－) ꎬ男ꎬ博士ꎬ研究方向:激光冲击强化ꎮ
激光技术被誉为现代制造工业的“ 万能加工工 具”、“未来制造系统共同的加工手段”ꎮ 现代激光工 业技术的常见应用如切割、焊接、激光增材制造、激光 抛光等ꎬ都是利用了激光的热效应来进行加工ꎬ而作 为激光表面改性技术最新应用的激光冲击强化技术ꎬ 其加工过程中利用的却是激光的力学效应( 当材料受 到激光辐射照射时产生的冲击波)ꎮ 激光冲击强化 ( ｌａｓｅｒ ｓｈｏｃｋ ｐｅｅｉｎｇ / ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇꎬＬＳＰ) 又称激光喷丸ꎬ兴 起于 ２０ 世纪 ７０ 年代初ꎬ是一种新型的表面处理技术ꎮ 经激光冲击强化处理后ꎬ材料表面会形成一定深度影 响层的残余压应力ꎬ从而抑制材料疲劳裂纹的萌生和 发展ꎬ显著延长材料的疲劳寿命ꎬ提高材料的抗腐蚀 性和耐磨性[１－３] ꎻ适用于高硬度、高脆性及高熔点的金 属材料表面处理ꎮ 激光冲击强化技术具有高效、 环 保、不会破坏靶材表面完整性等优势ꎬ近年来ꎬ该技术 受到广泛重视ꎬ得到了快速发展ꎮ
１ 等离子体冲击波
等离子体冲击波是使材料表面得到强化的直接 诱导因素ꎬ根据冲击波相对于气体传播速度的差异ꎬ 可分为燃烧波( Ｌａｓｅｒ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎꎬＬＳＣ) 和爆 轰波( Ｌａｓｅｒ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎꎬ ＬＳＤ) 两类ꎮ 而 激 光 冲击强化的过程中ꎬ等离子体诱导产生的冲击波是爆 轰波( ＬＳＤ) ꎬ它以 １０４ ｍ / ｓ 的速度向四周传播ꎮ 爆轰 波的压力与激光功率密度和脉冲能量有关ꎬ激光的功 率密度越大ꎬ脉冲能量越强ꎬ等离子体诱发产生的爆 轰波的压力也越高[７－９] ꎮ 激光冲击强化的作用原理主 要涉及两个方面ꎬ等离子体冲击波的形成和冲击波对 金属材料表面的改性ꎮ １.１ 等离子体冲击波的形成