1、钛合金激光冲击强化组织结构及性能研究1. 研究背景及意义钛合金是在工业生产中用途最广的轻金属材料之一。它具有密度小、耐腐蚀、比强度高、导电与导热性好且易于加工成型等优点。在航空航天、船舶、有轨机车制造以及汽车工业等诸多领域得到了广泛的应用。随着激光技术的发展，利用激光对材料进行表面改性处理从而提高和改善材料本身性能越来越受到重视。利用激光冲击波对航空材料进行强化处理就是其中很重要的一个研究领域。激光冲击强化技术（LSP）是一种新型的材料表面改性处理技术，它利用高功率脉冲激光与材料相互作用过程中产生的高压冲击应力波，使冲击后的材料具有残余压应力和高的位错密度，从而大大提高材料的表面硬度和抗疲劳寿
2、命。此外，激光冲击强化技术还具有兼顾材料表面和心部优良性能的特点，能够使材料的潜力得到充分的发挥。它在局部表面如小孔、焊缝、拐角或不规则复杂空间结构的强化方面，具有喷丸、挤压、撞击强化等常规的表面处理方法无法比拟的优势。激光冲击处理技术可以获得较高的表面残余压应力和显著的位错结构，从而显著地提高材料的抗疲劳寿命、硬度等机械性能。本课题研究的意义在于，钛合金作为重要的航空结构材料，对其进行激光冲击处理研究以有效提高其抗疲劳寿命具有非常重要的意义。本课题研究的目的在于，使用激光冲击钛合金后，从宏观和微观两方面探讨材料硬度性能的改善，并试图从微观组织的角度给出分析和解释。2. 激光冲击强化2.1 激
3、光冲击强化模型激光冲击强化(Laser Shock Processing)简称 LSP 技术，是一种利用激光束与物质相互作用产生强大的冲击波来改变材料表面物理及其机械性能的技术。其原理是当短脉冲( 约几十纳秒)高功率密度(GW/cm 2)的激光辐射金属靶材时，金属表面吸收层( 即涂覆层) 吸收激光能量发生爆炸性的汽化、蒸发，产生高压(1GPa)的等离子体，该等离子体吸收激光能量爆炸产生高强度压力的冲击波(爆轰波 )。在激光诱导冲击波产生后，迅速膨胀的等离子体被限制在金属表面和约束层之间，当聚集到一定程度时将会产生一个作用于靶材表面并向其内部传播的强烈冲击波，该冲击波对靶材表面产生强化作用，如图
4、 1 所示。当爆炸波的峰值压力超过被处理材料动态屈服强度时，在材料表面产生塑性变形，产生孪晶等晶体缺陷并形成极其细小的位错亚结构。使材料表层形成很大的残余压应力，从而大幅度提高材料的硬度、强度、抗腐蚀性和疲劳性能。图 1 激光冲击强化原理示意图激光冲击强化类似于弹丸喷丸，只是把弹丸换作激光脉冲。激光冲击强化使表层产生微小塑性拉伸变形，强化后的材料由于弹性恢复而产生残余压应力，如图 2 所示。研究表明，激光冲击强化铝合金后，大小约为材料屈服强度(7080)的残余压应力可以深入材料表层 1 至 2mm，因此材料的耐疲劳强度和寿命远远高于机械喷丸和深滚压技术。图 2 激光冲击强化处理过程中产生的残余
5、压应力与传统的机械处理方法相比，激光冲击强化后粗糙度远远低于机械喷丸，铝合金紧固件的磨损疲劳强度可以提高至两倍；激光冲击强化后，板料产生了密集、均匀以及稳定的位错结构，位错密度增高，使材料屈服强度提高，并阻碍了位错的运动，增大了裂纹产生的阻力。此外，不锈钢的应力腐蚀开裂问题可以通过激光冲击强化处理。残余压应力使试样表层产生硬化，距离试样表层越远，硬化程度越小。激光冲击强化后，材料的微观组织得到改善，耐腐蚀性能和疲劳强度提高，有效地改善了材料的综合机械性能。2.2 激光冲击强化模型激光冲击强化模型包括冲击波压力模型、残余应力模型以及应力-应变输出模型。冲击波压力模型有很多种，这些模型都认为激光辐
6、射均匀，所以冲击波在约束介质和靶材中的传播是一维的，如 Morales 在激光冲击强化中采用一维压力近似估算公式及计算冲击波压力，为了提高估算模型精度，考虑等离子体内能和等离子体膨胀半径的影响，提出了新的冲击压力估算模型。对残余应力的分析大多采用有限元方法，Braisted 首次引入有限元方法计算激光冲击强化残余应力，随后提出了轴对称模型用以计算激光喷丸产生的残余应力，在模型中综合考虑了压力衰减，材料弹塑性以及材料冲击屈服强度曲线。休等人采用简化模型模拟重叠冲击强化的残余应力场分布。Morales 等人则提出了残余应力优化系统，将残余应力场与激光参数之间形成定量关系，以其达到最佳强化效果。在激
7、光冲击强化中，冲击波压力是随着时间变化的幅值，应变率很高，可达 106s-1，所以在模型中引入以下假设：材料是理想弹塑性体，所有的塑性变形发生在统一应变率下。在计算激光强化应力时有必要引入温度场的影响，同时温度场对表层能量吸收率有影响，Thorslund 等人提出考虑激光辐射和温度在工件上分布的温度模型，与实际辐射量相比，辐射率对材料温度的影响更大。2.3 激光冲击强化的影响因素激光冲击强化技术可以大大提高材料的疲劳性能和耐磨性能，并且成功用于航空航天、核工业等领域。目前国内外研究人员越来越多的关注激光冲击强化技术的基础理论与基础工艺研究。影响激光冲击强化效果的影响因素主要有激光参数、能量吸收
8、层和约束层、材料等。2.4 激光功率密度Fabbro 等人提出了激光冲击波的峰值压力与激光功率密度之间的关系：（1-1）IZAP32（1-2）21Z式中：-激光与材料相互作用效率因子（取值为 0.10.2 之间）；A-常量；Z-冲击（波）阻抗；Z1-材料的冲击阻抗；Z2-约束层的冲击阻抗（如水的冲击阻抗为 ）126105.scmgZwater；I：激光功率密度。此外，激光功率密度的计算为：（1-3）24DEI式中：-脉冲宽度；I-激光功率密度；E-激光单脉冲能量；D-光斑直径。从上式中可看出，在材料和约束层一定的情况下，激光功率密度越大，冲击波的峰值压力越大。Zhou 等人也在最近对等离子体研
9、究中发现，激光功率密度与产生等离子体宽度存在着非线性增长关系。2.5 激光脉宽激光脉宽的大小对金属材料的冲击强化效果至关重要。激光冲击强化后的塑性变形层深度、表面残余压应力均与激光脉宽有关，采用较大的激光脉冲宽度可获得较好的强化效果。然而，过大的激光脉冲宽度极易造成金属材料表面的热损伤，降低激光冲击处理的效果。2.6 激光冲击强化处理的特点激光冲击强化技术利用强激光与物质相互作用产生等离子体，等离子体爆炸形成强冲击波，冲击波的应力效应作为提高零部件性能的能源，从而大幅度提高航空零部件的抗疲劳和抗腐蚀性能，具有如下 6 个鲜明特点：(1) 高压，冲击波压力达到数 GPa，乃至 TPa 量级，是常
10、规的机械加工难以达到的；(2) 高能，激光束单脉冲能量达到几十焦耳，峰值功率达到 GW 量级，在1030ns 内将光能转变成冲击波机械能，实现了能量的高效利用；(3) 超快，冲击波作用时间仅仅几十纳秒，可控性强；(4) 超高应变率，由于冲击波作用时间短，应变率达到 107s-1，这比机械冲压高出 10000 倍，比爆炸成形高出 100 倍；(5) 可达性好，激光束可以通过导光臂对普通强化技术不能处理或处理效果不好的区域进行强化；(6) 非接触性，且无机械和热应力损伤，激光冲击强化后的金属表面不产生畸变和机械损伤，而且激光脉冲短，只有几十纳秒，瞬间完成与冲击过程，且大部分能量被能量吸收层吸收，传
11、到金属表面的热量很少，所以无热应力损伤。由于激光冲击强化技术的这些特点，使该技术较之传统的喷丸、挤压强化等传统表面处理技术有着很大的优势；(1) 激光冲击强化能形成深度更深且数值更大的残余应力影响层，材料表面晶粒细化甚至出现纳米晶粒。通过激光冲击强化获得的残余压应力影响层可达 12mm，是喷丸的 510 倍。研究表明，激光冲击强化提高某马氏体不锈钢零件疲劳寿命 20 倍，提高某镍基高温合金材料疲劳强度达3 倍以上；(2) 由于激光的可达性好，光斑大小可调，且能精确控制和定位，具有无热影响和可达性好的优势，激光冲击强化能够处理一些传统工艺如挤压、撞击强化等所不能处理的部位，尤其是表面不规则部件，
12、特别适合于对小孔、倒角、焊缝和沟槽等部位进行强化；(3) 激光冲击强化后，金属表面留下的冲击坑深度仅为数微米，基本不改变被处理零部件的粗糙度。相比较于喷丸强化，激光冲击处理还能更好地保持强化位置的表面粗糙度和尺寸精度。对于发动机叶片等对表面粗糙度和变形特别敏感的零部件，冲击强化后无需后续加工。(4) 激光冲击强化不仅有预防裂纹产生作用，还可以降低已经产生裂纹的扩展速率。3. 激光冲击强化国内外的研究进展（1）国外的研究进展早在 20 世纪 60 年代，国外科学家就已经发现激光诱导冲击波或称激光吸收波。美国从 70 年代开始，利用激光冲击波进行材料表面强化试验研究，Clauer 等先后对 707
13、5、2024、6061-T6 等铝合金材料进行冲击强化试验研究，发现这些材料的硬度、强度和疲劳性能大大提高，展现了激光冲击强化技术的广阔应用前景。但是，由于设备的限制，特别是激光器脉冲发射间隔时间长，强化效率低，激光冲击强化长期停留在实验室研究阶段，没有得到工业应用。1994 年，为了减少航空发动机高循环疲劳引发的故障，美国正式开展高循环疲劳科学和技术计划，在众多的金属材料强化方法中，选择了激光冲击强化，将激光冲击强化技术对零部件表面强化作为重点研究内容，组织 Lawrence Livermore 国家实验室、Los Alamos 国家实验室、美国空军研究实验室、GE（通用电气）公司、MIC
14、公司等单位联合攻关，证明激光冲击强化可有效提高发动机部件疲劳性能和抗打伤能力，初步实现了激光冲击强化的工业应用。1995 年 2 月，Jeff Dnlaney 博士创立世界上第一家从事激光冲击强化技术应用的公司-LSPT（激光冲击强化技术）公司。1998 年，美国 GE 公司己开始利用激光冲击强化技术对 F110-GE-100、-129的风扇第级工作叶片和涡轮风扇叶片进行冲击强化，以提高叶片表面压应力，预防叶片裂纹产生、防止外来物打伤，并取得了较好的效果。当年，激光冲击强化被美国研发杂志评为全美 100 项最重要的先进技术之一。20002002 年，美国 Lawrence Livermore
15、国家实验室对 2024T3 铝合金进行激光冲击强化试验，结果表明其疲劳寿命是常规喷丸处理的 50 倍。此外，该实验室也证实了激光冲击强化能大幅度降低焊缝的应力腐蚀和裂纹扩展速率。美国的核废料存放容器深埋于 Yucca 山下，并要求保存 10000 年不发生泄漏，但是由于容器的焊缝存在残余拉应力，从而导致裂纹萌生、扩展并加速腐蚀。激光冲击强化能消除残余拉应力，从而防止了裂纹的萌生。该实验室为了验证激光冲击强化提高防腐蚀能力的效果，进行了如下试验：将两块尺寸为3mm18mm75mm 的 304 不锈钢平板试样放置在温度超过 120的 MgCl2 溶液中进行耐腐蚀试验，未经激光冲击强化的试样在 24
16、 小时内出现裂纹，经过激光冲击强化的试样在 7 天后尚未出现裂纹或发生腐蚀。对 U 型 304 不锈钢试样进行类似的实验，未强化的 U 型试样在 2 小时内产生裂纹，经过激光冲击强化的U 型试样在 6 天后尚未出现裂纹。对 316 不锈钢进行试验后也得到了类似的结果。试验研究还证明了激光冲击强化能大幅度地降低焊缝的应力腐蚀和裂纹扩展，美国已将该技术用于核废料容器的焊缝强化。20012002 年，美国空军针对激光冲击强化技术在 F119 发动机整体叶盘应用上存在的效率较低、成本过高、冲击变形、定位困难等难题，提出了四个重要的制造技术计划（Air Force Manufacturing Techn
17、ology），通过 GE 公司、LSPT公司等联合研究，花费上亿美元，于 2004 年实现了研究目标，一是实现了提高效率和降低成本的目标，将 F119 整体叶盘激光冲击强化的时间从 40 小时缩短到 8 小时左右，并将加工成本降低 75%；二是在技术上提出了针对整体叶盘强化的特殊强化方法，实现了自动涂层、双面对冲、工艺参数监控、过程控制以及保证激光束在叶片上准确定位的图像处理方法等。2002 年以来，美国已有能力将激光冲击强化技术大规模用于航空部件的制造和修理中。例如：美国 MIC 公司将激光冲击强化用于涡轮喷气发动机叶片生产以改善其疲劳寿命，不但提高飞机发动机的安全可靠性，而且每月还可节约飞
18、机保养费和零件更换费达数百万美元。美国预计仅军用航空发动机叶片的处理，就能节约成本超过 10 亿美元。截止 2005 年，美国已将激光冲击强化技术成熟应用于 F101、F110 和 F414 发动机叶片的维修。从 2005 年开始，美国又将激光冲击强化逐步扩大到大型汽轮机、水轮机叶片以及石油管道、汽车关键零部件等的处理，仅石油管道焊接缝的处理一年就可以达到 10 亿美元以上的收益，实现了激光冲击强化高效、规模化工业应用。近年来，日本东芝公司也进行了激光冲击强化技术的研究，并将激光冲击处理用于核反应堆中型芯零件和焊接构件焊缝的强化，减小应力腐蚀裂纹的敏感性以提高零件的疲劳强度。（2）国内的研究进
19、展激光冲击强化在中国还处于研究和初步应用阶段，从 20 世纪 90 年代开始，中国科学技术大学、华中理工大学、北京航空工艺研究所、南京航空航天大学和江苏大学等展开了对激光冲击处理技术的研究，主要针对一些基础理论进行了探索性研究和针对各种钢材和铝合金材料进行一些简单试验研究。1992 年，南京航空航天大学率先开展了激光冲击抗疲劳的研究，承担了航空课题“航空结构抗疲劳断裂的激光冲击强化技术研究，航空 AFFD 基金，B85G-30A.2-07，1992.1-1995.12”。通过研究，使航空铝合金 2024T63 的疲劳寿命提高了 6 倍，最大提高了 23 倍，验证了激光冲击强化提高材料疲劳寿命的
20、有效性。南京航空航天大学在国内激光冲击强化研究方面具有一定的开创性。九十年代初，中国科学技术大学吴鸿兴教授和郭大浩高工等学者研制成功小型实验用的激光冲击强化装置，其外形尺寸为 0.6m1.88m0.6m，具备了一定的应用价值（激光装置外形尺寸小于美国的同类产品）。这种小型实用的激光冲击装置研制成功，加快了激光冲击强化技术工程应用的步伐。1995 年，随后，华中理工大学对 LY12 铝合金冲击前后的试件做了疲劳实验，并进行了初步的微观机理研究，发现激光冲击强化 LY12 铝合金疲劳寿命大幅度提高的微观机理是激光冲击后位错密度大幅提高（达 21 倍）以及在材料表面形成较大残余压应力。九十年代末开始
21、，北京航空工艺研究所邹世坤等人对激光冲击强化进行了一些研究。其中一项重要的研究是对铝合金 LY12 铆接试件的铆钉孔进行激光冲击强化实验，按飞机框结构的随机载荷谱，进行实际铆接结构件的疲劳试验，疲劳试验结果按照成组对比试件的统计规律进行激光冲击与未冲击铆接结构的对比，表明激光冲击处理能稳定提高铆接结构疲劳寿命约 80%。 2000 年，北京航空航天大学的王华明等人对奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9Ti 和镍基高温合金 GH30 进行了激光冲击强化，冲击区微观结构中出现很高的位错密度和大量的孪晶，冲击区的显微硬度得到较大提高，冲击区表面获得了较高的残余压应力。从上世纪 90 年代至今，江苏大学机械
22、工程学院张永康教授对激光冲击强化技术从理论和实验研究上做了大量的工作，从激光冲击强化涂层、约束层理论等方面进行了研究，并取得了一些成果，对于激光冲击强化技术在我国的发展起到了很好的推动作用。4. 总结与展望结合目前激光冲击成形研究和应用现状，激光冲击强化技术要进入大规模的工程应用，尚需在以下几个方面进行深入的研究：(1)一些激光冲击强化理论仍需明确，主要是强化的第一阶段，高能量激光作用(能量吸收层、约束层、激光光斑、重叠激光脉冲和热作用对强化效果的影响等等)。(2)由于在激光冲击强化过程中，很难把握激光冲击波与金属靶材的作用进程，急需一种能够在线监测和控制强化过程的设备。(3)目前既能够达到工
23、业需求( 如高激光能量、短脉冲、高重复频率)又能满足经济承受能力的激光器还很少。LSP 技术是一种革命性的金属表面强化防护手段，与常规强化技术相比，可用于多种金属板材结构、焊接结构的表面强化或粉末冶金零件表面的致密化处理，在保持金属表面光洁度的同时能获得数值更高、深度更深的残余压应力影响层能更有效地延长金属疲劳寿命，并改善其耐磨擦、耐腐蚀性能。激光冲击处理的发展方向是发展高重复频率、强脉冲、小型化的激光器，清洁高效的约束方式和光路设置。同时，这项技术有着巨大的应用前景，在某些场合具有不可替代的作用。目前，国内产业化刚刚起步，国内具有良好的研究基础，具备自主知识产权。其产业化进程必将大大提速。随着对 LSP 技术研究的日益深入，以及激光器制造工艺的成熟，这项技术必将带来巨大的经济利益和国防利益。
