激光冲击喷丸技术的最新进展和新应用（1）

SCLSP和HCLSP的重叠样式。

江苏激光联盟导读：

本文综述了残余压应力和晶粒细化对金属材料机械性能的影响，讨论了LSP的最新发展和目前面临的挑战和未来的发展方向。本文为第一部分。

摘要

激光冲击强化(LSP)通过在近表面区域诱导加工硬化和有益的残余压应力，改善了许多金属构件的疲劳性能。近年来，LSP在增材制造、陶瓷和金属玻璃等新兴领域有了许多新的应用。此外，还报道了基于LSP的创新工艺开发，包括温LSP、低温LSP、电脉冲辅助LSP、无涂层激光喷丸、飞秒LSP和激光喷丸成形。本文旨在对LSP工艺进行全面回顾，重点介绍其新的应用和创新工艺开发。简要回顾了LSP的历史和关键事件。还讨论了LSP的基本机理，包括高能脉冲激光产生冲击波、冲击波产生残余压应力、对裂纹扩展的影响，以及LSP如何诱导晶粒细化。综述了残余压应力和晶粒细化对金属材料机械性能的影响。讨论了LSP的最新发展，如基于LSP的创新工艺开发及其新应用。最后，还讨论了LSP技术目前面临的挑战和未来的发展方向。

1．介绍

磨损、腐蚀和疲劳是金属材料80%以上失效的原因。由于磨损、腐蚀和疲劳引起的大多数故障都是从材料表面开始的，因此表面完整性对材料的整体性能有着至关重要的影响。表面完整性特征，包括硬度、微观结构、形貌、粗糙度和残余应力状态，可以显著影响磨损和腐蚀行为。通过提高硬度和在近表面区域引入有益的压缩残余应力，激光冲击喷丸（LSP）可以显著改善金属材料的疲劳性能。

在LSP过程中，来自高能脉冲激光的光穿透透明约束介质并照射烧蚀涂层，迅速将受影响区域加热到高温并产生高压等离子体。等离子体的膨胀会产生冲击波，使目标金属发生塑性变形，导致加工硬化和压缩残余应力。与喷丸（SP）相比，LSP具有以下优点。1） LSP可以产生更深层次的压缩残余应力；2） LSP中的工艺参数可以精确控制；3） LSP后的零件表面完整性得到改善，无需进行后处理；4） LSP可用于处理具有复杂几何形状的部件；5）LSP处理效率高，有利于清洁的工作环境。由于LSP代表了可以替代SP的新一代表面强化技术，因此得到了广泛关注。

Askar'yan和Moroz测量了高强度激光束对金属目标表面施加的压力，发现该压力足以控制航天器。然而，这些实验是在真空条件下进行的，以防止介质击穿，这种条件在工业上并不实用。来自Sandia实验室的Anderholm用激光束照射石英覆盖的铝膜，发现透明约束层的存在可以显著增加冲击压力。虽然这个实验也是在真空中进行的，但它证明，在透明约束层的存在下，在空气中不会导致介质击穿的激光功率密度也可以产生足够大的冲击压力。这一观察结果对于涉及激光产生的冲击波的后期工业应用具有重要意义。

来自Battelle Memorial Institute的Fairand等人通过高功率密度的短脉冲激光诱导冲击波改变了7075铝合金的微观结构，他们发现经过处理后，合金的抗应力腐蚀开裂（SCC）和疲劳性能得到了改善。这是LSP发展的关键事件，在这项研究之后，美国国家科学基金会开始支持对LSP的研究。Clauer等人通过在样品表面使用不同的限制层和吸收层组合，改变了冲击波的强度和持续时间。研究发现，在有约束层的情况下，冲击波压力可以达到GPa水平，金属材料的疲劳性能可以显著提高。因此，这种透明约束层和吸收层的组合也成为LSP的典型模型。

一项实验中采用法国GAIA-R Nd:YAG激光器进行LSP实验。采用波长为1.064 μm、脉冲宽度(FWHM)为10 ns的Top-Hat激光进行SCLSP和HCLSP处理。聚焦后的激光光斑直径为3 mm。激光脉冲能量为3 J，对应的功率密度为4.24 GW/cm2。在重叠处理中，如上图所示的样式的重叠率为13.4%，以最小化表面粗糙度增加（由I区和II区的不同冲击时间引起）。

然而，由于当时缺乏能够产生短持续时间高能脉冲光束的可靠激光系统，LSP技术无法实际用于工业应用。Lawrence Livermore国家实验室成功研制出第一台板条结构钕玻璃激光器；这台激光器的脉冲能量是200 J、脉冲持续时间为20秒  ns。从那时起，LSP被认为是一种可行的表面处理技术，可以显著改善金属材料的机械性能，并开始商业化。一些美国研究人员发现，经过LSP处理后，受损的F101风机叶片显示出比新叶片更高的疲劳强度。LSP随后被用于处理F119发动机上的第四级整体叶片转子。

LSP处理可大大提高耐久性，防止表面裂纹，从而延长使用寿命，降低维护和维修成本。Leap等人报告说，LSP在改善舰载飞机鲨钩的疲劳性能方面优于SP。目前，LSP被广泛用于多种合金的处理，如Ti−6Al−4V， Al2024， Inconel 718和Al7075。LSP在生物医学植入物治疗中的应用也有报道。Sealy等人利用LSP处理骨科植入物用的镁-钙合金，发现LSP可以同时提高抗腐蚀性能和疲劳性能，抑制植入物在人体内的快速降解和失效。Xiong等人结合LSP和微弧氧化技术，进一步提高镁合金植入物的抗应力腐蚀能力。Zhang等人通过LSP改善了镁合金植入物的机械性能，同时不影响细胞相容性。

随着对性能改善材料需求的增加，LSP的应用将进一步扩展到汽车工业、核工业、造船工业、石化工业、生物医学工业等领域。

除了LSP技术在工业上的发展，学术界对LSP过程的理解也有了重大进展。例如，Fabbro等提出了一个分析模型，使用有限元法（FEM）来研究和描述冲击波压力与LSP加工中使用的材料特性和激光参数之间的关系。Ocaña及其同事提出了一个全面的模型来理解激光冲击过程。Wu和Shin提出了一个自封闭热模型，用于研究LSP过程中激光烧蚀和等离子体形成与膨胀的物理过程；该模型能够预测不同LSP条件下的血浆压力。为了进一步了解LSP对金属材料微观结构的影响，Lu及其同事通过实验研究了LSP过程中不同目标材料的微观结构变化，并提出了几种不同的晶粒细化机制。

还开发了许多创新的LSP工艺，以应对LSP应用中的挑战。Sano等人提出了无涂层LSP（LPwC），它使用低能激光加工金属部件。随后发现该技术可提高沸水反应器的抗应力腐蚀性能。鉴于现有LSP技术的缺点，一些学者提出了新的LSP技术，如温热LSP（WLSP），低温LSP（CLSP），电脉冲辅助LSP（EP-LSP）和飞秒LSP（FLSP）。为了应对当前增材制造（AM）技术的流行，Kalentics等人和Lu等人将选择性激光熔化（SLM）与LSP相结合，以更好地管理增材制造金属的残余应力、微观结构和孔隙率。

目前已经发表了多篇关于LSP的总数文章。例如，Montross等人系统地讨论了LSP对金属合金微观结构和机械性能的影响。Gujba等人将LSP与SP和超声波冲击喷丸进行了比较。Liao等人总结了WLSP的基本机理及其对金属材料机械性能的影响。Kalainathan等人探索了LPwC的主要机理和工艺参数，以及它们对不同材料的影响。Clauer发表了一篇综述文章，讨论了从激光诱导等离子体的发现到LSP商业化的历史路径。然而，近年来发表的许多关于LSP的重要研究没有在任何综述中提及。例如，其中包括LSP在增材制造金属、金属玻璃、陶瓷和其他材料中的应用。其他重要的研究集中在LSP过程，包括EP-LSP、CLSP和FLSP。

因此，本综述的目的是全面概述LSP，重点介绍LSP研究的最新进展。首先，将考虑LSP的基本机制，包括冲击波的产生及其如何影响残余应力状态和微观结构。接下来，将讨论LSP对金属材料机械性能的影响。随后，讨论了LSP研究的最新进展，包括WLSP、EP-LSP、CLSP、LPwC、FLSP、激光喷丸成形（LPF），以及LSP在增材制造金属、陶瓷和金属玻璃中的应用。最后，提出了应用LSP目前面临的挑战，以及未来的研究和发展方向。

LSP前后Ti6Al4V钛合金的显微组织。（a）和（b）LSP后近表面横截面积的光学图像；（c） LSP前后的SEM图像；（e）（f）c和d中α晶粒的粒度分布。

上图a和b显示了LSP后片状Ti6Al4V钛合金的OM图像。观察到少量孔隙，但无明显裂缝或不完全溶解。细化的等轴α晶粒在图a中可以清晰地观察到明亮相，在图b的偏振光图像中可以清楚地观察到紫色相。如图b所示，细化层的厚度可以达到400 μm。图c和d显示了LSP前后晶粒结构的SEM图像。

2.LSP的基本机制

2.1 LSP过程中产生的冲击波

LSP过程示意图如图1所示。在典型的LSP装置中，吸收层和限制层覆盖样品表面。黑漆和铝箔通常用作吸收层，以防止金属材料蒸发和蒸发，而水或BK7光学玻璃通常用作限制层，以限制激光诱导等离子体的膨胀，从而增加冲击波压力和持续时间。保护层和约束层材料的选择很重要，因为它们会影响冲击压力和持续时间。Sano等人研究了不同约束介质对冲击波压力的影响，发现等离子体在空气中的膨胀速度大约是在水中的20倍。膨胀速度过快会导致冲击波压力降低。Li等人利用K9光学硼硅酸盐冠玻璃作为约束层，发现K9玻璃可以通过一种类似于用水的机制显著增加冲击波的峰值压力。因此，使用水或玻璃作为约束层可以确保冲击波压力的充分积累，从而增加峰值压力和持续时间。

图1 LSP实验装置的示意图。

Zhou等人发现，在水层或玻璃的一定厚度范围内，增加水层厚度可以增加峰值压力；然而，一旦超过临界值，继续增加约束层的厚度将降低峰值压力，因为水膜可以散射激光，而较厚的水膜将吸收大量等离子体能量。此外，Takata等人通过声发射分析研究了不同约束层参数（如温度、厚度和粘度）对冲击波压力的影响。他们发现，冲击波压力随约束层的粘度增加而增加。最近，Xiong等人利用分子动力学模拟在微观尺度上研究了LSP中保护层和限制层的影响，他们发现虽然限制层可以有效地提高峰值压力，但保护层对压力的影响很小，并且会在目标表面引入杂质。因此，为了获得更好的加固效果，有必要为保护层和约束层选择合适的材料和合适的材料参数。

在LSP过程中，脉冲激光束穿过透明限制层并照射吸收层。吸收层吸收激光能量，然后蒸发和电离。当表面上的能量足够高时，等离子体就形成了，它将继续吸收激光能量。由于约束层的存在，膨胀等离子体产生的冲击波可以穿透目标材料。当冲击波压力超过材料的Hugoniot弹性极限（HEL）时，会发生塑性变形，导致材料表层的微观结构变化，如晶格畸变、位错生成和晶粒细化。此外，LSP还在近表面区域产生有益的压缩残余应力，这将大大改善疲劳性能。

Fabbro及其同事提出了一个分析模型，用于描述存在约束层时等离子体压力和激光参数之间的关系。例如，图2显示了激光强度P(t) I(t) (Im=3 GW cm−2) 和α=0.05时的压力历史。可以观察到，最大压力与激光功率密度的平方根成正比。图3显示了峰值压力与从分析模型和实验中获得的激光功率密度的函数关系。可以观察到，当激光功率密度超过临界值时，模拟结果与实验结果不再一致。在高激光功率密度区，峰值压力不再随激光功率密度增加而增加，这可以用介质击穿效应来解释。

图2 激光强度分布和相应的冲击压力分布（α = 0.05和 Im = 3 GW cm−2)。

图3作为激光功率密度函数的峰值压力测量。

为了提高冲击波压力预测的准确性，Jiang等人考虑了等离子体传播过程中目标和约束层的性质变化。

2.2 LSP产生的压缩残余应力

在LSP过程中，激光诱导等离子体产生的冲击波到达目标材料表面。到达时，冲击波压力的强度超过材料的HEL，但随着传播而衰减。因此，顶面层将承受垂直于表面的压缩塑性变形，变形平行于表面扩展。当冲击波在材料中传播时，其大小会衰减，当冲击波压力低于HEL时，塑性变形区周围会发生弹性变形。冲击波消散后，弹性变形将恢复，塑性变形区将受到弹性变形材料的反作用力，产生有利的压缩残余应力场。该过程的示意图如图4所示。

图4 LSP产生的压缩残余应力示意图。

Lu和同事测量了经过多轮LSP处理的LY2铝的残余应力，并验证了LSP诱导的塑性应变可以在顶面上产生压缩残余应力层。随着冲击波在材料中传播时衰减，塑性变形程度将逐渐降低，残余应力值也将随深度而降低。从图5可以看出，压缩应力的最大值存在于样品表面，并沿垂直于表面的方向逐渐减小至零。然后它转化为拉应力，产生拉应力以平衡压应力。此外，残余压应力的大小和深度将随着冲击次数的增加而增加。随着撞击次数的增加，目标的塑性应变增加，导致更高的应力值和更深的压缩层。

图5多次LSP冲击后LSP处理样品的深度残余应力，插图显示了冲击时间。

为了平衡扭矩，LSP处理的样品中也会产生拉伸残余应力。这些应力会加速疲劳裂纹的产生和扩展，因此不允许出现在部件的关键区域。因此，必须仔细设计LSP加工模式，以确保残余应力得到适当分布，尤其是对于具有复杂几何形状的部件。Zhao等人利用FEM模拟了不同LSP模式裂纹附近的残余应力分布。已经证明，在优化LSP模式时，通过降低有效应力强度因子（SIF，见图6），可以最大程度地降低疲劳裂纹扩展速率。由于该数值研究已通过实验数据得到验证，因此，将FEM和SIF相结合的数值方法已被证明是设计适当LSP策略以更好地提高金属材料疲劳强度的有效方法。

图6裂纹扩展速率与外部应力强度因子。

来源：Recent Developments and Novel Applications of Laser Shock Peening: A Review，Advanced Engineering Materials, doi.org/10.1002/adem.202001216

参考文献：G. Askar'yan, E. Moroz, Sov. J. Exp. Theor. Phys. 1963, 16, 1638.，A. H.Clauer, Metals 2019, 9, 626.