激光沖擊強化技術(shù)

1、激光沖擊強化技術(shù)摘要：本文主要從作用機理、強化機理及影響因素等方面系統(tǒng)的介紹了激光表面強化技術(shù)。關(guān)鍵詞：激光表面強化、沖擊波、晶粒細(xì)化Laser Shock Processing Technology Abstract: This article mainly introduces Laser shock processing (LSP) from the respect of the interaction mechanism, the strengthening mechanism and the influencing factors.Keyword：LSP ，shock wave， g

2、rain refinement1 引言激光沖擊強化技術(shù)(Laser 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，通過這種方式可以實現(xiàn)對材料的性能的強化處理1。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(Laser Har

3、dening)、激光熔覆(Laser Cladding)、激光表面合金化(Laser Alloying)、激光沖擊強化處理(Laser Shock Processing，LSP)、激光沖擊成形技術(shù)(Laser Shock Forming，LSF)等1。作為一項相較于傳統(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)備的小孔強化，損傷葉輪修復(fù)以及水下設(shè)備的抗腐蝕性強化和焊縫延壽等。2 國內(nèi)外激光沖擊強化技術(shù)的研究現(xiàn)狀上世紀(jì)七十年代，Battelles Columbus等科學(xué)家設(shè)計并制造出了能夠進(jìn)行激光沖擊實驗的實驗系統(tǒng)1；在1972年，科學(xué)家Fair

4、and B.P.等人利用高功率脈沖激光對鋁合金的機械性能和微觀組織進(jìn)行檢測和分析，證明了激光沖擊對鋁合金的強化作用，經(jīng)實驗結(jié)果表明鋁合金的屈服強度提升了30%左右，這個結(jié)果也正式掀起了激光沖擊對材料優(yōu)化研究的序幕1。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)前國內(nèi)外學(xué)者和科研機構(gòu)就激光沖擊強化而言，主要就以下幾個方面進(jìn)行研究：1.激光沖擊強化的物理性研究：研究重點在于解析強化過程中的物理效應(yīng)、沖擊波與靶材內(nèi)

5、部結(jié)構(gòu)相互作用的機理和類型1，建立激光誘導(dǎo)爆轟波的理論模型并對其進(jìn)行分析2。2. 激光沖擊強化作用機理的研究：研究內(nèi)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、抗摩擦磨損等性能進(jìn)行規(guī)律分析、機制分析等相關(guān)研究1。3.工程技術(shù)領(lǐng)用的應(yīng)用性研究：對激光加工系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對沖擊區(qū)域性能的評測以及強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)成功將該項技術(shù)應(yīng)用于軍事航空領(lǐng)域，擁有了多項自主知識產(chǎn)權(quán)，取得了大量的研究成果，為實現(xiàn)激光強化工業(yè)化的具體實施奠定了扎實的基礎(chǔ)。清

6、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)計出了完備的加工工藝，此項技術(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 激光沖擊強化原理激光沖擊處理是使用GW/cm2級的高功率密度和ns級的短脈沖寬度的強激光輻照材料表面，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)。圖1.1 激光沖擊強化原理圖Fig.1.1 Schematic of laser shock processing 在激光處理過程中，由于激光輻照作用的影響，激光會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

7、度在極短時間內(nèi)可以達(dá)到一個極高的值而氣化，氣化后形成蒸汽電離，若繼續(xù)吸收激光輻照的能量則形成了等離子體4。當(dāng)能量迅速積累達(dá)到臨界值時，將會引起膨脹爆炸，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態(tài)屈服強度時，沖擊波影響的區(qū)域就會發(fā)生超高應(yīng)變率作用下的塑性變形4，伴隨著位錯密度的迅速增加，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，同時還會出現(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

8、于金屬表面時，能量大于一定的臨界值后，靶材的表面層會在短時間內(nèi)快速吸收激光能量，高幅值的激光能量會造成表層產(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對激光能量進(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散和膨脹過程中會形成具有極高壓力的沖擊波，這種沖擊波的壓力值大小會隨著激光能量強化的變化而產(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。在整個激光沖擊處理過程中，激光功率密度可以達(dá)到GW/cm2時等離子體誘導(dǎo)形成沖擊波被定義為爆轟波型，爆轟波會以104m/s的速度向各方向

9、傳播。爆轟波壓力隨著激光功率密度的增大而升高，同時與脈沖能量之間也呈正相關(guān)。一般由激光沖擊作用所生成的沖擊波類型有以下兩種方式，非約束型以及約束型。非約束模型中不包含約束層和吸收層，在沖擊過程中激光束會將直接接觸到靶材表面。這種類型的沖擊波形式中，約束層不會對等離子體產(chǎn)生約束作用，而會以一種開放式的形態(tài)向各個方向自由膨脹，能量分散且分布不均，造成的后果是誘導(dǎo)的沖擊波壓力值不高，且能量不集中，無法起到?jīng)_擊強化的作用。另一種約束型是在靶材表面涂覆黑色涂層和透明的約束層，透明的約束層可以有效阻止等離子體的膨脹，使沖擊波可以完全作用于靶材表面，極大增強了沖擊波的沖擊效應(yīng)。激光沖擊作用于金屬靶材的表層時

10、，會存在沖擊波與靶材之間的力作用，誘導(dǎo)形成殘余應(yīng)力場，這也即是說沖擊波是靶材表面沖擊作用區(qū)發(fā)生塑性變形的根本原因，激光沖擊的強化作用來源于力效應(yīng)，而不是激光能量本身的熱效應(yīng)。沖擊波在靶材內(nèi)傳播時，方向會沿著其沖擊方向產(chǎn)生單向的軸向壓應(yīng)力，位于沖擊波方向區(qū)域的靶材將會被壓縮，而與材料表面平行的面上的區(qū)域則會延長。激光沖擊強化技術(shù)是利用高應(yīng)變速率下產(chǎn)生的劇烈塑性變形對材料進(jìn)行強化，而實際上是利用了沖擊波與靶材金屬之間的相互作用。激光照射靶材金屬后會發(fā)生材料的升溫、熔融、層裂等現(xiàn)象，這是由于激光沖擊的熱效應(yīng)與力學(xué)效應(yīng)。而隨著激光參數(shù)的不同，激光作用于靶材，所產(chǎn)生的影響和作用機理也不完全相同。一般而言

11、在激光功率密度達(dá)到103104W/cm2時，靶材表層出現(xiàn)緩慢加熱，在104106W/cm2時開始熔化，在106108W/cm2時出現(xiàn)部分氣化現(xiàn)象，在1091010W/cm2時出現(xiàn)激光等離子現(xiàn)象，形成等離子體。當(dāng)激光輻照到靶材表面時，除了一部分能量會被靶材吸收外，其余能量將會被材料反射或者直接逸散出去。激光與靶材之間的能量傳遞遵循能量守恒定律，也就是說激光入射的能量等于材料表面對激光的靶材吸收能量、靶材反射能量和逸散能量之和：E0=E反射+E吸收+E透射 (1.6) 靶材對激光的吸收除了與材料的種類和特性有關(guān)外，還與靶材針對激光波長的選擇性吸收率有關(guān)，此外材料對激光的吸收還受到外部環(huán)境，包括溫度

12、、濕度、表面涂層和表面粗糙度等多種因素作用的影響。3.3 劇烈的塑性變形與晶粒細(xì)化機理金屬可以認(rèn)為是由大量的晶粒堆積而成，同時每個晶粒也都有著各自不同的取向性。相鄰晶粒間通過面面接觸連接在一起，這種接觸面稱之為晶界。晶界一般有著不同的取向，厚度在2個原子間距左右。通過相鄰晶粒的取向差和晶界面的方位可以定義晶界，當(dāng)15°時稱之為小角度晶界；當(dāng)15°時則稱之為大角度晶界。伴隨著激光沖擊過程，金屬會發(fā)生明顯的塑性變形，晶粒大小的變化與金屬的組織結(jié)構(gòu)相關(guān)。晶粒細(xì)化的過程中，由于塑性變形會引起高密度位錯、孿晶等微觀形貌的變化，在晶粒內(nèi)部逐漸形成小角度的亞晶界，進(jìn)一步演化后會發(fā)展成大角

13、度晶界，大角度晶界會產(chǎn)生切割效應(yīng)，將整個晶粒形成具有取向性的細(xì)小晶粒，實現(xiàn)晶粒細(xì)化。大尺寸晶粒不斷地被轉(zhuǎn)變成數(shù)量眾多但更為細(xì)小的晶粒，晶粒的大小甚至可以達(dá)到納米級，成為納米晶。金屬塑性變形方式的因素包括材料的晶體結(jié)構(gòu)、層錯能以及相變化等。體心立方晶格(bcc)和面心立方晶格(fcc)金屬具有12個滑移系，而密排六方晶格(hcp)的金屬滑移系相對教少，對于高層錯能的立方結(jié)構(gòu)的金屬而言，塑性變形的機制主要是通過位錯變化實現(xiàn)；低層錯能和密排六方結(jié)構(gòu)金屬，則通過機械孿生實現(xiàn)。下表1.2所示為不同結(jié)構(gòu)金屬材料的層錯能和變形運動形式。表1.2 不同金屬材料的層錯能和變形形式Table.1.2 Deform

14、ation modes related to stacking fault energies and structures材料FeAlCu316L不銹鋼304不銹鋼TiCo晶體點陣bccfccfccfccfcchcphcp層錯能mJ/m220016678402130027變形運動位錯運動位錯運動位錯運動機械孿生位錯運動機械孿生機械孿生位錯運動機械孿生位錯運動機械孿生對于GH2036高溫鐵基合金而言，體心立方晶格(bcc)具有較高的層錯能。當(dāng)載荷以高應(yīng)變率作用于材料表面時，位錯開始增殖，同時位錯密度提高。位錯交割將使粗大的晶粒得到一定的細(xì)化，這是塑性變形初期的表現(xiàn)；在變形程度逐漸增加之后，位錯會

15、通過湮沒、重組等形式轉(zhuǎn)變成小角度亞晶界，從而降低內(nèi)部畸變能；在塑性變形后期，小角度亞晶界會通過吸收相鄰位錯導(dǎo)致晶界滑移而成為大角度晶界；最終亞晶粒內(nèi)部形成的位錯胞和位錯纏結(jié)會分割晶粒完成晶粒細(xì)化；當(dāng)晶粒中的位錯增殖速率和湮沒速率基本保持一致時，系統(tǒng)內(nèi)能量趨于穩(wěn)定，晶粒細(xì)化過程結(jié)束。當(dāng)發(fā)生塑性變形后，材料的表層影響區(qū)會得到一定程度的強化，這種因塑性變形引起的的強化，其強化機制包括：細(xì)晶強化、位錯強化、晶界強化、孿晶強化，圖1.3所示為金屬合金常見強化機制的示意圖。(1) 位錯強化當(dāng)材料發(fā)生塑性變形時，位錯密度增加，位錯活性也隨之增加。當(dāng)位錯密度達(dá)到一定值時，位錯間相互作用形成位錯纏結(jié)等位錯結(jié)構(gòu)，

16、這些結(jié)構(gòu)會反過來阻礙位錯的運動。若塑性變形持續(xù)增大，則會引起載荷的遞增，這在宏觀上會表現(xiàn)為金屬表面強度的提高。變形強化的本質(zhì)在于位錯密度的增加，實驗證明，位錯密度的增加和材料強度的提高呈正相關(guān)5。(2) 晶界強化在晶界表面，金屬原子的排布并不規(guī)律，同時還存在晶格點陣畸變、位錯缺陷的衍生和發(fā)展。塑性變形時，晶界的存在會阻礙位錯運動，形成位錯的堆積，且這種阻礙作用會隨著晶界數(shù)目的增加而愈加明顯，因此晶界強化時，材料本身的變形抗力增加，因此強度得到提升；此外由于多晶體的晶粒間存在取向性的差異，當(dāng)某個晶粒發(fā)生滑移時，其他晶粒會阻礙其運動，因此滑移阻力的增加也從另一方面提升了材料的變形抗力；伴隨著晶界數(shù)

17、目的增多，晶界的排布也越復(fù)雜，裂紋在晶界上的傳播將會變的更為困難，表現(xiàn)較高的塑性和韌性。(3) 孿晶強化孿晶界由于其結(jié)構(gòu)特征屬于能態(tài)偏低的共格晶界，所以晶粒內(nèi)孿晶界的分布可以抑制位錯的運動，促使孿晶界上或交割界面處發(fā)生位錯的堆積和纏結(jié)，造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高材料的強度。孿晶片層的尺度越小，強化效果越明顯，實驗表明納米尺度時其強化效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微米尺度或者亞微米尺度的強化效果6。(4) 細(xì)晶強化晶粒尺寸越小，也意味著在單位體積內(nèi)晶界數(shù)量越多，而隨著晶界數(shù)目的增加晶粒內(nèi)部位錯運動將會受到阻礙，滑移帶會在晶界處堆積湮沒。多晶粒原子間存在不同的位向差，相互晶粒間可以通過滑移來協(xié)調(diào)變形。在滑移過程中還會

18、伴隨著位錯切割，提高金屬強度。此外，單位體積晶粒數(shù)目增多，相同的變形機制將會在更多晶粒中進(jìn)行，避免了產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中而使塑性變形效果更加均勻。在細(xì)晶過程中由于晶粒細(xì)化，晶界數(shù)目增多，裂紋便不易萌生和發(fā)展，在斷裂的過程中表現(xiàn)出強韌性。 圖1.3 金屬合金常見強化機制34(a)固溶強化、第二相彌散強化(b)細(xì)晶強化(晶界強化)(c)位錯-孿晶強化Fig.1.3 Illustration of structural modification for strengthening metals and alloys(a) strengthening via solid solution, precip

19、itates and dispersed particales(b) grain refinement strengthening ( or the grain boundaries strengthening)(d) nanoscale twin strengthening based on dislocation-twin boundaries interactions3.4 激光沖擊強化的影響因素在激光強化過程中，激光束會通過約束層后輻射在吸收層，在這個過程中伴隨著能量形態(tài)的轉(zhuǎn)變，從激光束的能量轉(zhuǎn)變成誘導(dǎo)材料發(fā)生塑性變形所需要的能量，并以此產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。因此，影響因素還包括：(1) 約

20、束層 約束層除了可以阻止等離子體的不定向性膨脹，促使激光能量的集中，還可以強化靶材與沖擊波之間的相互作用，也可以說，約束層的存在可以同時增加激光所誘導(dǎo)形成的沖擊波和脈寬大小。在選擇約束層時，除了要求激光束保持高的透射率和聲阻抗等特性外，還要考慮到激光可能會擊穿約束層直接作用于靶材表面，因此約束層的厚度也有著明確的適用范圍的規(guī)定。(2) 吸收層吸收層的作用一方面是提升靶材對激光能量的吸收率，另一方面可以保護靶材避免靶材與激光直接接觸造成燒蝕破壞。實驗表明，若靶材表層沒有附著吸收層，將無法形成靶材對于激光能量的高效吸收，造成等離子體因能量不足產(chǎn)生不定向的膨脹而遠(yuǎn)離靶材表面，無法形成足夠的塑性變形。

21、下表1.3為不同條件下靶材表面殘余應(yīng)力。表1.3 不同條件下的表面殘余應(yīng)力Table 1.3 The surface residual stress in different conditions處理方式無吸收涂層未處理55Cl6mm光斑水層6mm光斑黑漆6mm光斑水層+黑漆殘余應(yīng)力/MPa570MPa-220MPa-380MPa-430MPa-510MPa大量的研究表明，靶材表面附著吸收涂層在激光沖擊后可以形成較大的殘余應(yīng)力。但同時其厚度也是影響激光能量作用的關(guān)鍵因素，若吸收層厚度不足時，則會產(chǎn)生靶材表面的燒蝕；若吸收層過厚，則會影響沖擊波能量，造成作用于靶材表面的能量值過低，無法對靶材進(jìn)行有效強化，因此吸收層需要選擇一個適當(dāng)厚度。(3) 激光工藝參數(shù) 在激光強化過程中所需要設(shè)定的激光參數(shù)包括功率密度Io、脈沖寬度、光斑的直徑大小d