材料的主要失效形式有：磨損、腐蝕、疲勞等，一些調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：因磨損、腐蝕、疲勞等源于材料表面的失效形式占了80%以上，可見(jiàn)材料表面的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)材料綜合性能有著至關(guān)重要的影響。在載荷的作用下，構(gòu)件的疲勞斷裂往往源于材料表面產(chǎn)生的裂紋，裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展可能導(dǎo)致材料的整體破壞，甚至導(dǎo)致設(shè)備故障。
為提高零部件的可靠性，延長(zhǎng)材料的使用壽命，在不改變基體材料性能的前提下，表面強(qiáng)化技術(shù)與方法得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
隨著航空航天、武器、核能、交通等高端設(shè)備的發(fā)展，對(duì)其零件表面性能要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的噴丸、表面滾壓等強(qiáng)化技術(shù)漸漸難以滿足高性能設(shè)備的生產(chǎn)要求，而激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)很好地解決了這些問(wèn)題。與傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)相比，激光沖擊強(qiáng)化獲得更深殘余應(yīng)力層、產(chǎn)生加工硬化、細(xì)化晶粒的優(yōu)勢(shì)，能夠顯著提高材料的疲勞壽命，在各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，獲得了越來(lái)越多的青睞。
激光沖擊強(qiáng)化(LSP)又名激光噴丸，是一種新型表面強(qiáng)化技術(shù)，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠帶來(lái)與眾不同的技術(shù)解決方案，在工業(yè)界越來(lái)越受重視。
激光沖擊強(qiáng)化的基本原理如下圖所示。
圖 激光沖擊強(qiáng)化原理圖
該技術(shù)的基本原理為：短脈沖(幾十納秒)、高峰值功率密度(＞109 W/cm2)的激光透過(guò)透明約束層(一般采用材料有：流水、有機(jī)玻璃等)后作用在工件表面，涂覆在工件表面的吸收涂層(一般采用材料有鋁箔、黑膠帶、黑漆等)吸收激光能量并發(fā)生爆炸性氣化，形成等離子團(tuán)進(jìn)一步吸收激光能量，產(chǎn)生溫度t>107℃、壓強(qiáng)P>1 GPa的等離子體；該等離子體在約束層的限制作用下，形成GPa級(jí)瞬時(shí)高壓等離子體沖擊波，并向工件材料內(nèi)部傳播；在沖擊波的力學(xué)效應(yīng)作用下，由于沖擊波峰值應(yīng)力極高，遠(yuǎn)超材料的屈服極限，材料表層發(fā)生塑性變形，引起晶格畸變、位錯(cuò)、位錯(cuò)交織、位錯(cuò)墻、晶粒細(xì)化等微觀織構(gòu)變化，產(chǎn)生了平行于材料表面的拉應(yīng)力；根據(jù)力學(xué)效應(yīng)的反作用原理可知，在等離子體沖擊波作用結(jié)束后，材料表面將形成一定深度的殘余壓應(yīng)力層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的表面強(qiáng)化或精密成型加工，大幅提高金屬材料的耐磨損、抗應(yīng)力腐蝕和抗疲勞等性能。
特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域
激光沖擊強(qiáng)化不同于傳統(tǒng)表面強(qiáng)化技術(shù)，其典型的約束層與吸收保護(hù)層原理結(jié)構(gòu)可以顯著增加沖擊波壓力，進(jìn)而對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)化。這種強(qiáng)化方式具有高壓(GPa級(jí))、高能(GW量級(jí))和超高應(yīng)變率(>106 s-1)的特點(diǎn)。
與傳統(tǒng)的激光切割、激光淬火、激光焊接等利用激光熱效應(yīng)的激光加工技術(shù)不同，激光沖擊強(qiáng)化則是一種利用激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的表面改性技術(shù)，在加工過(guò)程對(duì)工件幾乎沒(méi)有熱效應(yīng)。
因激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)具有上述優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)發(fā)展迅速，目前主要應(yīng)用于航空航天與國(guó)防軍工領(lǐng)域。隨著該技術(shù)的不斷成熟，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在船舶制造業(yè)、核工業(yè)、石油化工行業(yè)、生物醫(yī)療、軌道交通、電網(wǎng)電力等領(lǐng)域展示出了無(wú)可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，擁有著巨大的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。
激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展
20世紀(jì)60年代，美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了激光誘導(dǎo)沖擊波現(xiàn)象。與此同時(shí)，我國(guó)的錢臨照先生也發(fā)現(xiàn)了此現(xiàn)象，提出沖擊波有可能對(duì)材料作用后使材料位錯(cuò)密度增加的概念。由于受當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件和應(yīng)用背景的影響，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在20世紀(jì)70年代才開(kāi)始得到實(shí)際研究，而受到廣泛重視和快速發(fā)展則是上世紀(jì)末的事情。五十多年來(lái)，該技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，技術(shù)也日益成熟，帶動(dòng)了一大批產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
1972年，美國(guó)巴特爾學(xué)院(BMI)的Fairand等人通過(guò)短脈沖、高功率密度激光誘導(dǎo)的沖擊波來(lái)改變7075鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)組織，發(fā)現(xiàn)經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)后，合金的疲勞壽命與抗應(yīng)力腐蝕能力得到一定幅度的提高。這是激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)研究的首次嘗試，其采取的強(qiáng)化方式屬于無(wú)約束層模式，主要用來(lái)驗(yàn)證激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的可行性。1977年，BMI的Calaur等人通過(guò)在樣品表面使用不同的約束層和涂層材料組合來(lái)改變應(yīng)力波的大小和持續(xù)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)在有約束層的模式下，沖擊波壓力可以達(dá)到GPa級(jí)且材料疲勞壽命顯著提高。這種由透明約束層與吸收涂層的組合方式也成為了激光沖擊強(qiáng)化的典型模式。當(dāng)時(shí)由于缺少性能可靠、短脈沖高功率密度的激光器，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)未能得到實(shí)際應(yīng)用。1984年，美國(guó)勞倫斯∙利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)成功研制出世界上第一臺(tái)具有板條結(jié)構(gòu)的釹玻璃激光器，促進(jìn)了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。
20世紀(jì)90年代，美國(guó)推出針對(duì)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)高周疲勞斷裂的“高周疲勞科學(xué)與技術(shù)”(high cycle fatigue science and technology program)計(jì)劃，該計(jì)劃旨在提高材料的高周疲勞設(shè)計(jì)水平，提高飛機(jī)的安全性能，該計(jì)劃的橫空出世將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室推向了工業(yè)應(yīng)用。在該計(jì)劃提出后的幾年內(nèi)，美國(guó)成功將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)用于增強(qiáng)Ti-6-4、Al2024-762、IN718和Al7075-77351等發(fā)動(dòng)機(jī)合金材料的疲勞壽命。由于激光沖擊強(qiáng)化的效率不高，處理時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法快速去除噴射涂層。1997年，涂層快速處理系統(tǒng)在美國(guó)應(yīng)運(yùn)而生，該系統(tǒng)能夠快速地在工件上涂覆吸收涂層和去除涂層。且首先應(yīng)用在軍用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的激光沖擊強(qiáng)化處理，強(qiáng)化效果相當(dāng)不錯(cuò)。同年，日本科學(xué)家Sano在水浸材料的激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：等離子體在空氣中的膨脹速度約為聲速的20倍，而在水中的膨脹速度僅與聲速相當(dāng)，這為水作為常用約束層提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。
21世紀(jì)以來(lái)，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)取得了更為驚人的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，如：汽車關(guān)鍵零部件、水輪機(jī)葉片、大型汽輪機(jī)、石油管道、納米仿生等領(lǐng)域。
2003年，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)被用于波音飛機(jī)的葉片處理，標(biāo)志著激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于軍民兩用飛機(jī)領(lǐng)域。2007年，日本開(kāi)發(fā)了微激光沖擊強(qiáng)化(MLSP)技術(shù)，成功用于核電站壓力容器的強(qiáng)化處理，極大提高了壓力容器焊縫的抗腐蝕性能。該技術(shù)的成功應(yīng)用，還促進(jìn)了水下作業(yè)激光器與光纖傳輸技術(shù)的發(fā)展。隨著激光沖擊強(qiáng)化工業(yè)化應(yīng)用水平的不斷提高，一系列技術(shù)瓶頸有待突破，除設(shè)備價(jià)格和運(yùn)行成本因素外，人們希望開(kāi)發(fā)可現(xiàn)場(chǎng)操作的便捷設(shè)備，在設(shè)備出現(xiàn)故障的時(shí)候以最快速度解決問(wèn)題，節(jié)約時(shí)間與成本。2012年，美國(guó)MIC公司取得重大突破，成功研制出可移動(dòng)式激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備，如下圖所示。該設(shè)備的誕生，解決了激光沖擊強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)難題。
圖 可移動(dòng)式激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備
為了獲得更好的激光沖擊強(qiáng)化效果，2010年，美國(guó)在原有激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合熱力耦合效應(yīng)在材料表面強(qiáng)化方面的優(yōu)勢(shì)，提出溫度輔助的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，即激光溫噴丸(WLP)技術(shù)，其工藝原理見(jiàn)下圖。由于目前激光溫噴丸技術(shù)應(yīng)用的理論和背景相對(duì)不多，需要科研工作者不斷完善與研究。2017年，美國(guó)的Kalentics等用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)對(duì)選擇性激光熔化(SLM)部件進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，提出將SLM和LSP這兩個(gè)過(guò)程結(jié)合起來(lái)的“3D LSP”方法，將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)推向一個(gè)新高度。
圖 激光噴丸原理圖
