【正文】 C 受噴表面變得粗糙 激光沖擊技術(shù) 激光沖擊強(qiáng)化的原理 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)能提高許多金屬材料的抗疲勞斷裂性能, 該技術(shù)利用高功率密度(大于1 0s w /c m Z )和短脈沖寬度(幾十納秒)的激光束輻照金屬表面, 使金屬表面的涂層材料瞬時(shí)汽化、膨脹、爆炸, 產(chǎn)生一個(gè)向金屬內(nèi)部傳播的壓力沖擊波, 該沖擊波的峰值壓力高于金屬材料的動(dòng)態(tài)屈服極限, 使金屬材料產(chǎn)生密集、均勻和穩(wěn)定的位錯(cuò)密度。同時(shí), 由于沖擊波貯藏的彈性變形能大于或等于金屬材料所需的屈服塑性變形能, 在金屬表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。這兩種因素的共同作用, 提高了金屬材料抗疲勞斷裂的性能。沖擊原理簡(jiǎn)化流程圖高功率激光→待處理表面→透明約束層→（）→沖擊波→ 激光沖擊強(qiáng)化的特點(diǎn) 1)LSP能形成深度更深且數(shù)值更大的殘余壓應(yīng)力影響層，通過LSP獲得的殘余壓應(yīng)力影響層可達(dá)1～2mm，是噴丸的5～10倍；2)LSP所用的激光參數(shù)和作用區(qū)域可以精確控制，參數(shù)也具有可重復(fù)性，可以在同一地方通過累積的形式多次強(qiáng)化，因而殘余壓應(yīng)力的大小和強(qiáng)化層的深度精確可控；3)由于激光的可達(dá)性好，光斑大小可調(diào)，且能精確控制和定位，LSP技術(shù)能夠處理一些傳統(tǒng)工藝不能處理的部位。特別適合對(duì)小孔、倒角、焊縫和溝槽等部位進(jìn)行強(qiáng)化，甚至能對(duì)一些微米級(jí)金屬零件進(jìn)行強(qiáng)化[7]；4)LSP后，金屬表面留下的沖擊坑深度僅為數(shù)個(gè)微米，基本不改變被處理零部件的粗糙度[8]。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等對(duì)表面形變特別敏感的零部件，沖擊強(qiáng)化后 激光沖擊強(qiáng)化的效應(yīng)從材料損傷的角度來(lái)看, 不論是疲勞還是動(dòng)態(tài)破壞, 都是一個(gè)微裂紋( 或空洞) 成核、演化和失效破壞的連續(xù)過程, 材料損傷演化過程是全體裂紋共同作用的結(jié)果, 因此研究裂紋萌生、擴(kuò)展問題具有重要意義。疲勞壽命包括裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展壽命兩部分, 這兩部分壽命在總壽命中不僅與材料成分、組織、性能有關(guān), 而且與沖擊參數(shù)有關(guān)。由于沖擊波與材料相互作用，微觀上改變了材料內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)的分布；宏觀上表現(xiàn)為材料力學(xué)性能的改變。如生成的大量位錯(cuò)可以提高材料表面的硬度和強(qiáng)度；細(xì)化晶粒不僅能提高材料的強(qiáng)度，還能提高材料表面的塑形和韌性；塑形變形可以在材料表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而提高材料的疲勞壽命。（1）激光沖擊對(duì)裂紋萌生的影響疲勞極限微細(xì)觀過程理論認(rèn)為，疲勞源的行成應(yīng)包括以下六個(gè)微細(xì)觀過程：a 加載時(shí)，個(gè)別晶粒內(nèi)位錯(cuò)開動(dòng)，產(chǎn)生微觀滑移，但其發(fā)展將受到周圍晶粒的制約，在一些薄弱晶粒內(nèi)部或微觀應(yīng)力集中點(diǎn)附近出現(xiàn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)并受阻于晶界；b 為了使“微觀屈服”能進(jìn)一步發(fā)展，在周圍晶粒內(nèi)激發(fā)位錯(cuò)源及位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，以協(xié)調(diào)塑性變形，從而形成一些由相當(dāng)多晶粒參與的“細(xì)觀屈服”小區(qū)；c 在“細(xì)觀屈服區(qū)”中的一些晶粒內(nèi)形成應(yīng)變集中滑移帶；d 在卸載或反向加載到最小應(yīng)力時(shí)，一些應(yīng)變集中滑移帶在周圍彈性區(qū)的“脅迫”下或在反向載荷的作用下反向屈服；e 少數(shù)應(yīng)變集中滑移帶中萌生疲勞初裂縫；f 個(gè)別條件合適的疲勞初裂縫，擴(kuò)展進(jìn)入周圍晶粒，成為能發(fā)展成宏觀疲勞裂縫的疲勞源。當(dāng)試件表層存在殘余壓力時(shí)，可以從兩方面來(lái)考慮殘余應(yīng)力的作用：一方面，在材料表面，殘余壓應(yīng)力的存在起到了降低平均應(yīng)力的作用，抵消了部分載荷應(yīng)力，起到直接的強(qiáng)化的作用；另一方面，較高的殘余壓應(yīng)力阻止了裂紋在表面萌生，使裂紋萌生由表面推移至次表面薄弱區(qū)，該區(qū)域往往是殘余拉應(yīng)力最大區(qū)，此處沒有表面損傷和介質(zhì)的影響，同時(shí)位錯(cuò)滑移受到較大約束，裂紋萌生困難，表現(xiàn)為疲勞壽命提高，此時(shí)殘余壓應(yīng)力起到間接強(qiáng)化的作用。表面和內(nèi)部行成“細(xì)觀屈服區(qū)”的極限應(yīng)力是不同的。表面層中的晶粒，其自由表面一側(cè)沒有約束或約束較小，位錯(cuò)容易滑動(dòng)，在其附近形成“細(xì)觀屈服區(qū)”需要的極限應(yīng)力較低；而在離表面較遠(yuǎn)的內(nèi)部晶粒，其形成這樣的“細(xì)觀屈服區(qū)”需要的極限應(yīng)力就較高。（2）激光沖擊對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響激光沖擊強(qiáng)化對(duì)裂紋擴(kuò)展的抑制作用十分明顯，其機(jī)理可以從如下方面闡述：殘余壓應(yīng)力場(chǎng)阻礙疲勞裂紋的擴(kuò)展，對(duì)短裂紋不僅可以使其擴(kuò)展速率大幅度下降，進(jìn)而形成非擴(kuò)展裂紋，并且大大提高疲勞短裂紋的閉合力，從而使強(qiáng)化件的疲勞強(qiáng)度得到提高。當(dāng)裂紋開始擴(kuò)展時(shí)，隨著表面殘余壓應(yīng)力的增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子k減小，裂紋擴(kuò)展速率降低；當(dāng)k低于裂紋擴(kuò)展門檻值時(shí)，裂紋停止擴(kuò)展。在循環(huán)過程中，發(fā)生了殘余壓應(yīng)力松弛，使k重新增大，裂紋擴(kuò)展速率加大，最終導(dǎo)致斷裂。鄒世坤等研究了激光沖擊處理金屬板材后的裂紋擴(kuò)展速率，，最大幅度可降到原來(lái)的1/，激光沖擊處理可顯著降低鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。其主要原因是在于激光沖擊處理可提高位錯(cuò)密度和形成表面殘余壓應(yīng)力。對(duì)激光處理過的材料的疲勞斷口分析可知，激光沖擊部位表層殘余壓應(yīng)力在一定程度上抑制了裂紋源的形成，并可延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展的時(shí)間。（3）激光沖擊處理對(duì)材料表面硬度的影響激光沖擊處理提高金屬表面的硬度是其強(qiáng)化作用的令一個(gè)重要方面。激光沖擊加工在整個(gè)激光輻照區(qū)域使金屬表面硬度提高。此外，激光沖擊強(qiáng)化還可以有效地強(qiáng)化某些金屬的焊縫區(qū)。如高溫合金GH30氬弧焊焊縫經(jīng)激光沖擊處理后，焊縫表面顯微硬度提高40%，抗拉強(qiáng)度提高了12%以上；激光沖擊強(qiáng)化使焊態(tài)5086H32鋁合金的屈服強(qiáng)度回復(fù)到母材的水平。這些焊接接頭的強(qiáng)化是因?yàn)榧す鉀_擊使材料內(nèi)部產(chǎn)生了高密度的位錯(cuò)。（4）激光沖擊處理對(duì)耐磨性能及腐蝕性能的影響激光沖擊強(qiáng)化也可以改善耐磨性能和腐蝕性能。研究表明，激光沖擊加工產(chǎn)生的圍繞夾雜物的純力學(xué)效應(yīng)可改善含鹽介質(zhì)中316L不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能；亦使100Cr6工具鋼的磨損率下降。，其疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕的性能大大提高了，其使用壽命可以達(dá)到上萬(wàn)年的使用設(shè)計(jì)要求。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)激光沖級(jí)強(qiáng)化后的焊縫在一周后未見腐蝕，而未經(jīng)強(qiáng)化的焊縫24小時(shí)后即出現(xiàn)嚴(yán)沖的腐蝕。 激光沖擊強(qiáng)化的影響因素激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)可以大大提高材料的疲勞性能和耐磨性能，并且成功用于航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)外研究人員越來(lái)越多的關(guān)注激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)工藝研究。影響激光沖擊強(qiáng)化效果的影響因素主要有激光參數(shù)、能量吸收層和約束層、材料等。 激光參數(shù)A 激光功率密度Fabbro 等人提出了沖擊波峰值壓力與激光功率密度之間的關(guān)系其中，Z=1/（Z1+Z2）式中：A—常量；Z1，Z2—材料和約束層的沖擊波阻抗，I—激光功能功率密度。從式中看出，在材料和約束層一定的情況下，激光功率密度越大，沖擊波的峰值壓力越大。Zhou 等人也在最近對(duì)等離子體研究中發(fā)現(xiàn)，激光功率密度與產(chǎn)生等離子體寬度存在著非線性增長(zhǎng)關(guān)系。B 激光脈寬激光脈寬的大小對(duì)金屬材料的沖擊強(qiáng)化效果至關(guān)重要。激光沖擊強(qiáng)化后的塑性變形層深度、表面殘余壓應(yīng)力均與激光脈寬有關(guān)，采用較大的激光脈沖寬度可獲得較好的強(qiáng)化效果。然而，過大的激光脈沖寬度極易造成金屬材料表面的熱損傷，降低激光沖擊處理的效果。 能量吸收層和約束層能量吸收層產(chǎn)生等離子體，約束層延長(zhǎng)等離子體的噴射時(shí)間，增加了沖擊壓力和作用時(shí)間。A 能量吸收層能量吸收層（如黑漆、鋁箔）對(duì)強(qiáng)化效果的影響基本可以歸結(jié)為，它與靶材的熱物性行為之間差別，這種差別使等離子體產(chǎn)生和膨脹、爆炸成為可能，所以在有涂層時(shí)，激光沖擊波的形成實(shí)際上取決于涂層與激光之間的作用。張等人采用改進(jìn)的黑漆涂層進(jìn)行激光連續(xù)沖擊，發(fā)現(xiàn)其防護(hù)效果和抗剝離能力效果明顯。B 約束層在涂層的外面覆蓋的一層透明材料稱之為約束層。理論和實(shí)驗(yàn)研究都表明: 約束層阻礙了等離子體的膨脹, 增強(qiáng)了與激光能量的耦合和沖擊波的相互作用。因此, 約束層結(jié)構(gòu)能有效提高激光誘導(dǎo)沖擊波的峰壓值, 增加沖擊波的脈寬。在約束模式下沖擊波峰壓達(dá)到10GPa, 激光沖擊波的脈寬提高到激光脈沖寬度的23倍。約束層對(duì)沖擊強(qiáng)化效果的影響比較明顯，延長(zhǎng)了等離子體的噴射時(shí)間，增加了沖擊壓力和沖擊時(shí)間。約束層主要采用K9 光學(xué)玻璃、有機(jī)玻璃、硅膠、合成樹脂和水等。玻璃類約束層對(duì)沖擊壓力提升效果最明顯，但僅適用于平面加工，且易碎，難于清理；硅膠和合成樹脂與靶材結(jié)合力小，且難以重復(fù)利用；水約束層的優(yōu)點(diǎn)是廉價(jià)、清潔、重復(fù)效果好，可用于加工曲面，而且流動(dòng)的水約束層可以帶走等離子體爆炸后的固體粉塵顆粒，這些優(yōu)勢(shì)是其他所有約束介質(zhì)無(wú)法取代的。張等人發(fā)現(xiàn)分別采用黑漆和水作為吸收層和約束層會(huì)起到更好的沖擊效果。同時(shí)采用水作為約束層存在缺點(diǎn)：剛性差異導(dǎo)致約束效果不及玻璃；高功率下易產(chǎn)生擊穿等離子體；高沖擊頻率下，水層飛濺，光路上的水珠和水霧對(duì)激光形成散射。在使用水作為約束層時(shí)，采用行之有效的工藝方法，準(zhǔn)確控制約束層厚度，保證水流均勻，以避免沖擊處有水波紋等仍是今后研究的重點(diǎn)。 材料材料的不同，沖擊強(qiáng)化的效果也隨著不同，陳等人對(duì)三種不同材料進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，發(fā)現(xiàn)其硬度和耐磨性都得到顯著提高，但提高程度不同。 常見激光沖擊工藝激光沖擊工藝是一個(gè)復(fù)雜的過程，高壓高應(yīng)變下物態(tài)方程等眾多學(xué)科領(lǐng)域。，表面涂層吸收激光能量后迅速氣化并發(fā)生電離，形成等離子體，產(chǎn)生向金屬內(nèi)部傳播的沖擊波。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過金屬材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，將使金屬表面產(chǎn)生一定的塑形變形，同時(shí)使金屬材料的組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)材料表面強(qiáng)化，改善了材料的疲勞性能。小孔激光沖擊強(qiáng)化包含2種工藝方法：1．先鉆孔后激光沖擊；2．先激光沖擊后鉆孔。 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究與應(yīng)用 激光沖擊強(qiáng)化是利用強(qiáng)激光誘導(dǎo)的高達(dá)數(shù)G 帕的沖擊波壓力使材料表層發(fā)生微觀塑性變形，形成殘余壓應(yīng)力層，從而有效地改善了金屬材料