激光冲击强化对金属材料疲劳寿命的影响及应用

摘 要：本文从激光冲击强化材料表面致使金属材料表面形成残余应力、改变金属材料的微观组织结构机理两个角度阐释了激光冲击强化过程中材料的表面抗疲劳性能得以进一步改良的本质原因。并举例说明了激光冲击强化技术在各范围的应用，指出了探究激光冲击强化时的重点及难点，简单描述了其发展趋势。

关键词：激光冲击强化；表面改性；疲劳寿命

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.273

0 引言

金属材料疲劳失效一般发生在材料应力集中程度较大的表面或是含有杂质、缺陷的内部。对于受扭转、弯曲、剪切及其组合变形的零件而言，疲劳裂纹往往起源于材料表面。因此，改善金属材料的表面质量、强化其表面性能，增强机械零部件的性能和寿命成为国内外学者研究的重点。激光表面强化技术具有功率密度高、加工灵活、操作方便无污染等优势，因此，被广泛应用于工业制造领域。其中，激光冲击强化被普遍地用来提高金属原材料的疲劳寿命。激光冲击强化是在极为短暂的时间（纳秒级）内将激光束照射在金属材料的表面，迫使材料表面产生等离子体，并利用等离子体膨胀的过程对金属产生强烈的冲击。这一冲击过程将使材料因产生晶体点缺陷、位错或则孪晶而得以强化[1]，如图1。

1 激光冲击强化形成金属材料表面残余应力层

传统的喷丸技术是在被处理的金属表面形成一层较薄的残余压应力，其被证实能够限制疲劳裂纹扩展的速率。但是，传统技术应变较大，且形成的残余应力层较薄，而激光冲击在非常高的应变率下能以较小的应变形成大于一毫米的残余应变层。Dane.C.等[2]通过比较Inconel718合金经喷丸技术和激光冲击处理后的残余应力分布图2，得出激光冲击均优于喷丸技术的结论。激光冲击形成的残余压应力与金属材料、涂层、激光束的尺寸等都息息相关：用不同的材料来作为吸收层所得到的残余应力分布不同，根据Hong， X [3]的研究结果显示黑漆作为吸收材料能更好的吸收激光能束；涂层是用来吸收更多的冲击波使金属产生塑性变形，一般而言涂层的选择是根据介质的光传播速度和密度，研究表明水是最适合的涂层，但是涂层与残余应力场的具体关系仍然没有相关报道。

2 激光冲击强化改变金属材料微观组织

在激光强脉冲冲击下，金属材料的相结构得到强化，可检测到冲击波对材料表面的冲击凹陷。这在一定程度上对材料表层进行了“夯实”，能够有效地遏制疲劳裂纹的形成和扩散[4]。其发出的等离子冲击波压力值可以达到数千兆帕，而金属原材料的动态屈服强度极小于此冲击波压力极值，使得金属原材料有序的晶体结构被破坏，产生位错及位错运动[5]，这会在一定程度上影响裂纹的萌生和扩展。经过激光冲击的金属材料表面的应变率和应变最大，这些细分结构形成亚晶界，最后导致等轴细化晶粒的形成。在多次重复的激光冲击中，冲击到金属材料表面的距离不断增加，应变率随之不断减小，并且在开始时，应变率会快速递减。另，其微观结构随着深度的不同也会发生变化。所以，激光冲击产生的应变率和应变严重地影响着粗晶的细化及其微观结构特征。

3 激光冲击强化在疲劳寿命研究中的应用

零件某些区域用喷丸处理得不到理想效果，如V形刻槽，就可以使用激光冲击处理。激光冲击处理可以增加残余压应力层的深度，能够显著改进材料的性能、更有效地控制金属表面的裂纹生长。因此在增加金属的疲劳寿命及增强金属结构疲劳强度方面，可以广泛地使用激光冲击处理，也可用来强化零件的薄壁性能。在航天工业中，很多航天类产品都可以使用激光冲击处理技术，并且，激光冲击处理焊接和已焊接修复叶轮机零部件的技术已申请了专利。对于航空设备表面的紧固孔出现老化和产生裂纹的现象，可以用激光冲击处理进行磨光，延长使用寿命。在激光冲击处理的整个过程中，工件表面的质量基本不被破坏，工作过程保持干净，不破坏工作环境。另外，激光冲击强化还应用于生物医疗领域，比如永久植入物强化、可降解植入物强化等。

4 讨论

激光冲击处理使金属原材料的表面形成残余压应力层的深度大于1毫米，让使金属原材料的疲劳性能获明显的改良，而且，可以使金属原材料表面得到强化，使某些材质（如铸铁，钛合金，铝合金等）的金属零部件性能得到改良。但是，激光冲击强化的工艺过程及强化微观机制还得开展深一步的探究。特别是关于激光冲击强化的抗应力腐蚀疲劳强化特性展开的研究仍然较少，激光冲击处理涉及到的冶金技术的领域从未被进一步探究。最后，为更好地阐释激光冲击波对残余压应力层的产生及其深度的影响，应搭建相应的过程模型。

参考文献：

[1]Y.K.Zhang，J.Z.Lu， X.D. Ren， H.B. Yao， and H.X.Yao，Effect of laser shock processing on the mechanical properties and fatigue lives of the turbojet engine blades manufactured by LY2 aluminum alloy.Materials and Design，2009，30（5）：1697-1703.

[2]C.B.Dane， L.A.Hackel， J.Daly. Shot Peening with lasers. Advanced Materials and Processes，1998，（153）：37-38.

[3]Hong X，Shengbo W， Dahao G.Confining medium and absorptive overlay： Their effects on a laser-induced shock wave. Optics and Lasers in Engineering，1998（29）：447-455.

[4]邹世坤，谭永生，郭大浩等.激光冲击处理对铝锂合金力学性能的影响[J].中国激光，2004 ，31（03）：371—373.

[5]乔红超，赵亦翔，赵吉宾等.激光冲击强化对TiAl合金组织和性能的影响[J].光学精密工程，2014，22（07）：1766—1772.

作者简介：彭敏（1988-），女，硕士研究生，教师，研究方向：机械设计及理论。