第1章 激光沖擊強化技術(shù)
　　在交變服役載荷與交變服役溫度作用下，金屬零部件經(jīng)常因為局部疲勞裂紋、斷裂而整體報廢，甚至導(dǎo)致設(shè)備或裝備的故障或事故。疲勞斷裂是影響機械結(jié)構(gòu)和裝備安全性、可靠性的重要因素[1]，航空發(fā)動機部件高溫疲勞斷裂問題是研制和使用中的疑難問題。大量研究表明，金屬構(gòu)件的疲勞性能與其表面完整性密切相關(guān)，一般情況下，斷裂往往是由于在交變載荷的作用下構(gòu)件表面產(chǎn)生裂紋，逐漸擴展而導(dǎo)致整體的破壞。
　　為提高超常服役條件下結(jié)構(gòu)的可靠性，延長使用壽命，在不改變基體材料性能的前提下，表面強化技術(shù)得到了國際上越來越多的研究，并提出了多種表面強化方法，得到了廣泛的應(yīng)用，取得了很好的效果和效益[2]。激光沖擊強化技術(shù)因其具有強化效果佳、可控性強、適應(yīng)性好等優(yōu)點，得到了越來越廣泛的關(guān)注和研究，已成功用于提高部件的疲勞強度，延長使用壽命[3，4]。
　　激光沖擊強化(laser shock processing或laser shock peening，LSP)概念的出現(xiàn)可以追溯到20世紀(jì)60年代，但真正研究則是從70年代開始，而受到廣泛重視和快速發(fā)展卻是在90年代之后。激光沖擊強化技術(shù)是一種新型的材料表面改性處理技術(shù)，作用于高功率激光與材料相互作用的物理過程，高功率密度(109W/cm2量級)、短脈沖寬度(10~30ns量級)的強激光通過透明約束層輻照材料表面，從而產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)對材料表面進行處理。在激光沖擊的過程中，材料待處理的表面覆蓋一層吸收層，然后在其上覆蓋一層透明約束層(如水、石英玻璃等)，其主要目的是提高材料對激光能量的吸收率并防止材料表面被激光燒蝕。材料表面所涂覆的能量吸收涂層吸收激光能量而迅速氣化、電離，形成大量稠密的高溫(>104K)、高壓(>1GPa)等離子體，等離子體受后續(xù)激光輻射，迅速積累能量，引發(fā)膨脹爆炸，激光維持的等離子體爆轟波向材料內(nèi)部傳播，形成沖擊波。如果沖擊波的壓力足夠高，那么材料在短時間內(nèi)以極高的應(yīng)變率(可高達(dá)106/s)發(fā)生變形和動態(tài)屈服，產(chǎn)生冷塑性變形，形成殘余應(yīng)力場，同時伴隨位錯、孿晶等晶體缺陷的形成，改善材料的物理力學(xué)性能，如疲勞壽命、硬度、耐磨性和耐腐蝕性等。當(dāng)沖擊波的峰值壓力大于材料的動態(tài)屈服強度時，材料表層發(fā)生超高應(yīng)變率的塑性變形，位錯密度顯著增大，表層材料晶粒細(xì)化，在表層產(chǎn)生了一定深度的高幅值殘余壓應(yīng)力，形成強化區(qū)，從而提高材料的抗疲勞性能、耐磨性、抗斷裂性等機械性能。在高溫條件下，金屬在變形過程中不僅形狀發(fā)生了改變，而且還伴隨著復(fù)雜的微觀組織變化，如動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶等，其基本原理如圖1-1所示。




　　圖1-1 激光沖擊強化技術(shù)原理圖


　　激光沖擊強化技術(shù)具有強化效果佳、可控性強、適應(yīng)性好等優(yōu)點，可成功用于提高部件的疲勞強度、消除焊接殘余拉應(yīng)力等方面，從而衍生出一種新的改性延壽技術(shù)——激光沖擊改性和延壽技術(shù)。該延壽技術(shù)將現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)、計算機學(xué)、材料科學(xué)、先進制造技術(shù)等多方面的成果和知識進行綜合運用，利用激光沖擊使低等級材料實現(xiàn)高性能表層改性，達(dá)到零件低成本與工件表面性能的最佳結(jié)合，為解決整體強化和其他表面強化手段難以解決的矛盾帶來了可能性，對重要構(gòu)件材質(zhì)與性能的選擇匹配、設(shè)計、制造產(chǎn)生重要的影響，甚至將導(dǎo)致設(shè)計和制造工藝的某些根本性變革。
　　本章系統(tǒng)介紹激光沖擊強化理論和技術(shù)，主要內(nèi)容包括激光沖擊強化的應(yīng)用和發(fā)展趨勢；激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波原理的分析；激光沖擊強化的兩種模型；激光沖擊強化有限元分析的理論知識和基于微觀組織理論的研究等。同時在后續(xù)章節(jié)中，將比較系統(tǒng)地介紹激光沖擊強化對鋁合金、耐熱鋼和鎳基合金等金屬在中高溫服役環(huán)境下提高力學(xué)性能和疲勞壽命的研究及應(yīng)用，并對研究結(jié)果進行闡述和總結(jié)。主要內(nèi)容包括激光沖擊對6061-T651鋁合金中高溫力學(xué)性能影響和強化機制研究；金屬疲勞性能激光強化改性及其疲勞安全壽命優(yōu)化研究；滲鋁復(fù)合激光沖擊處理對耐熱鋼高溫力學(xué)性能影響研究和中高溫服役環(huán)境下激光沖擊鎳基合金試驗與機理研究等。通過這些具體的應(yīng)用實例，充分反映出激光沖擊強化這項新技術(shù)的先進性和實用性，是近幾十年來迅速發(fā)展的材料表面新技術(shù)，也是材料科學(xué)的最新研究領(lǐng)域之一。


　　1.1 激光沖擊強化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢
　　激光沖擊強化從20世紀(jì)90年代快速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用，可以說其發(fā)展史與航空發(fā)動機部件疲勞斷裂密切相關(guān)。至2012年，國際上只有美國和中國實現(xiàn)了激光沖擊強化規(guī)�；�工程應(yīng)用。
　　1.1.1 激光沖擊強化技術(shù)的國內(nèi)外應(yīng)用
　　自20世紀(jì)70年代激光沖擊強化技術(shù)用于材料表面改性以來，國內(nèi)外許多學(xué)者都對其進行了廣泛的研究。1972年，F(xiàn)airand等在美國國家科學(xué)基金的資助下使用高功率脈沖激光誘導(dǎo)沖擊波改變了7075鋁合金的機械性能和顯微組織結(jié)構(gòu)，研究表明，合金的屈服強度提高了30%，從此揭開了激光沖擊波強化材料的研究序幕。1978年，F(xiàn)airand等又開展了激光沖擊強化處理提高鐵基合金和航空鋁合金疲勞性能的研究[6]，研究結(jié)果表明，激光沖擊強化降低了裂紋的擴展速度，大幅度提高了飛機緊固孔的疲勞壽命[6~8]。幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者對激光沖擊強化技術(shù)進行了大量的研究，主要分為3個方面。
　　(1) 激光物理的理論研究。解析激光沖擊強化的物理過程，分析沖擊波和材料相互作用的機理，建立激光誘導(dǎo)爆轟波的理論模型并進行有限元仿真等。
　　(2) 激光沖擊強化機理研究。從表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力和微觀組織等角度研究激光沖擊處理提高材料抗疲勞、耐腐蝕、抗摩擦磨損性能機制和沖擊強化過程中能量吸收層和約束層的相關(guān)理論研究等。
　　(3) 工程應(yīng)用研究。對激光器整套設(shè)備系統(tǒng)、激光沖擊處理工藝參數(shù)優(yōu)化、沖擊區(qū)域質(zhì)量控制技術(shù)、激光連續(xù)多點搭接沖擊和沖擊過程在線監(jiān)控的研究等。
　　激光沖擊強化在美國已經(jīng)過四十多年的發(fā)展，技術(shù)趨于成熟。1979年，美國洛克希德-佐治亞公司的William開展了激光沖擊處理7075-T6和7475-T73鋁合金的研究。1995年，Jeff創(chuàng)立了全球第一家激光沖擊強化技術(shù)公司(LSP Technologies Inc.)，利用其先進的激光沖擊處理設(shè)備系統(tǒng)，向工業(yè)界提供激光沖擊處理技術(shù)和加工服務(wù)。2004年美國頒布了激光沖擊強化技術(shù)規(guī)范AMS2546。從事激光沖擊研發(fā)和加工的企業(yè)主要有通用電氣航空發(fā)動機公司(General Electric Aircraft Engines，GEAE)、激光沖擊強化技術(shù)公司(LSP Technologies Inc.， LSPT)和金屬強化公司(Metal Improvement Company，MIC)。激光沖擊強化技術(shù)在航空航天、核工業(yè)、海洋船舶、石油化工、醫(yī)療等領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用前景。2002年，美國MIC公司將激光沖擊強化技術(shù)用于F119葉片生產(chǎn)線，突破了傳統(tǒng)噴丸不能強化部位的難題，提高了抗破壞能力，延長了使用壽命，顯著提高了效率，帶來了巨大的經(jīng)濟效益，從此激光沖擊技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于航空零部件的制造和修理當(dāng)中。石油及天然氣采油裝置、管道焊接區(qū)也采用激光沖擊強化技術(shù)，提高了管道的抗應(yīng)力腐蝕疲勞壽命；鈦合金微動疲勞性能較差，激光沖擊可將鈦合金的微動疲勞壽命提高10~25倍。
　　激光沖擊強化研究在中國起步較晚，但發(fā)展迅速。該項技術(shù)涉及先進的軍事應(yīng)用領(lǐng)域，目前屬于禁止向中國輸出的敏感技術(shù)和產(chǎn)品。但國人自強不息、艱苦奮斗，已獲得大量的成果，具備自主知識產(chǎn)權(quán)。目前從事激光沖擊研究的單位有江蘇大學(xué)、空軍工程大學(xué)、北京航空制造工程研究所(625所)、南京航空航天大學(xué)、華東理工大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華中科技大學(xué)、航空材料研究院和成都飛機設(shè)計研究院等。經(jīng)過二十多年的研究，在理論和試驗研究方面取得了優(yōu)異的成績，為該技術(shù)工業(yè)化的實現(xiàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。1992年南京航空航天大學(xué)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作，開展了航天結(jié)構(gòu)抗疲勞斷裂的激光沖擊強化研究，對激光產(chǎn)生的沖擊波及其對材料的強化機理和沖擊區(qū)的表面質(zhì)量等進行了大量的研究。1995年，華中科技大學(xué)的鄒鴻承等用釔鋁石榴石固體激光器對LY12CZ鋁合金進行了多點釘合處理，使試樣的表面硬度提高了5倍，硬化層深度為0.1~0.2mm。清華大學(xué)研究團隊提出了激光沖擊制備表面高性能納米涂層的新工藝，將碳納米管通過激光誘導(dǎo)的沖擊波冷植入鋁合金表層，該工藝結(jié)合激光沖擊和納米復(fù)合材料雙重強化效果，為制備納米復(fù)合涂層提供了新思路。江蘇大學(xué)激光研究團隊將激光沖擊技術(shù)用于節(jié)能環(huán)保型球團鏈篦機關(guān)鍵制造技術(shù)，解決了長壽命問題，并獲得2009年國家科技進步二等獎。西安天瑞達(dá)光電技術(shù)發(fā)展有限公司和陜西藍(lán)鷹航空電器有限公司共同承建了中國第一條激光沖擊強化生產(chǎn)線，該示范線可以實現(xiàn)復(fù)雜曲面(如葉片)雙面激光沖擊強化。
　　國內(nèi)外的研究表明，激光沖擊強化對各種鋁合金、高溫合金、鈦合金、不銹鋼等均有良好的強化效果[9-12]，因此激光沖擊強化技術(shù)在航空航天、汽車工業(yè)、石油化工、核工業(yè)、海洋船舶和醫(yī)療工業(yè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，甚至在某些場合有著不可替代的作用。但要使激光沖擊強化技術(shù)在實際工程上得到廣泛的應(yīng)用，還必須從以下幾點做更進一步的研究[5]。
　　(1) 高性能激光沖擊強化裝置的研制和開發(fā)。
　　(2) 激光沖擊強化效果的無損檢測手段。
　　(3) 能集涂層與約束涂層于一體的并適用于實際工程應(yīng)用的柔性貼膜。
　　(4) 激光沖擊強化工藝參數(shù)的制定和沖擊強化效果的在線控制方法的完善。
　　1.1.2 激光沖擊強化技術(shù)的發(fā)展趨勢
　　1. 方形激光光斑
　　目前常用的激光光斑形狀為圓形，然而圓形光斑殘余應(yīng)力空洞現(xiàn)象比較嚴(yán)重。美國的MIC公司已使用方形光斑進行激光沖擊強化，方形光斑殘余應(yīng)力空洞現(xiàn)象很弱，且連續(xù)搭接沖擊時，搭接平整、需要的最小搭接率小，提高了強化效率，獲得的加工表面質(zhì)量相對較好，圖1-2為方形光斑用于激光強化飛機葉片。




　　圖1-2 方形激光光斑應(yīng)用于飛機葉片示意圖


　　2. 可移動激光處理設(shè)備
　　國內(nèi)激光沖擊設(shè)備裝置主要固定在實驗室中，通過數(shù)控工作臺的移動完成不同結(jié)構(gòu)件部位的激光沖擊強化，主要適用于試驗研究。在工程應(yīng)用方面，對于已經(jīng)裝備好的不方便拆卸的零件或者難以在工作臺上裝夾的大型設(shè)備件均不適用。為了擴大激光沖擊強化的應(yīng)用范圍，可移動激光沖擊處理系統(tǒng)必然會成為發(fā)展的主要趨勢，配合柔性機器人系統(tǒng)、光纖激光器等技術(shù)，加工柔性化程度極高，不受場地、零件尺寸等因素的限制，可進行三維選區(qū)立體激光沖擊強化。
　　3. 熱激光沖擊處理(warm laser shock processing)
　　熱激光沖擊強化是一項熱-機械復(fù)合處理技術(shù)，整合了激光沖擊強化和動態(tài)應(yīng)變時效的優(yōu)點。其主要技術(shù)特征是在激光沖擊之前對材料進行預(yù)熱處理，在合適的處理溫度條件下(如鋼材為150~300℃)，熱激光沖擊復(fù)合技術(shù)可以獲得更高的殘余壓應(yīng)力、硬度和晶粒細(xì)化程度，能更加顯著地提高處理構(gòu)件的疲勞壽命。
　　1.1.3 激光沖擊數(shù)值模擬的發(fā)展
　　許多工程分析問題涉及過程通常用流體力學(xué)和彈塑性動力學(xué)模型來描述，根據(jù)情況采用一維或多維空間，綜合化學(xué)反應(yīng)方程、反應(yīng)率方程、熱傳導(dǎo)方程和材料本構(gòu)關(guān)系等，成為含有線性和非線性的偏微分方程、常微分方程、積分方程、泛函方程和代數(shù)方程的一個封閉方程組，根據(jù)具體情況有不同的初始條件和邊界條件。這些方程只有在極其簡單的情況下才可以得到一些解析解，一般只限于包含兩個自變量的平面問題。這種方法在有限的情況下是可行的，但是過多的簡化可能導(dǎo)致誤差過大，甚至?xí)�產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。隨著科學(xué)和生產(chǎn)的發(fā)展，解析解已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不符合要求，人們把注意力轉(zhuǎn)向數(shù)值解，因為數(shù)值解對控制方程的限制寬得多，可以得到更接近實際情況的解。因此，人們在廣泛吸收現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物——計算機來獲得滿足工程要求的數(shù)值解，這就是數(shù)值模擬技術(shù)。數(shù)值模擬是現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展的重要推動力之一。目前，爆炸沖擊效應(yīng)領(lǐng)域主要的數(shù)值模擬方法包括有限元法、有限差分法和有限體積法等。有限差分法和動力有限元法的發(fā)展已比較成熟，是目前沖擊載荷作用下的動力結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值計算中應(yīng)用最多的兩種方法。
　　由于數(shù)值模擬技術(shù)計算精度和可靠性高，其計算結(jié)果已成為各類工
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