基于激光冲击的金属材料机械性能研究及影响分析

郭子景

（广东科达洁能股份有限公司，广东 佛山 528313）

对于金属材料机械性能的改善，最常使用且最有效的方式就是激光冲击包括不锈钢、碳钢、合金钢、铝合金等金属材料，激光冲击作用之后，能够提高铝合金的疲劳寿命，达到4倍意义上，从而代替了喷丸处理这种传统技术。然后是金属材料当中的P-N结构的杂质扩散以及铁芯磁损耗，更是可以利用激光冲击进行改善[1,2]。可以说，对于金属材料而言，往往都能够通过激光冲击的应用，提高金属材料的强度、耐腐蚀性，特别是在疲劳寿命方面，更是能够使其得到大大提高。激光冲击的金属材料，在机械性能有着极强的改善，对于提高金属材料的实际使用寿命和使用稳定性而言具有极大的价值，更是能够使金属材料在各个行业的应用当中具有更好的前景以及带来更多的经济效益。本文主要对于这一方面展开了探讨，以下为详细内容[3]。

1 材料说明

激光冲击处理所采用的金属材料为：2024T62铝合金，而激光装备则为高功率密度的钕玻璃激光装置。以下对于这两点逐一展开说明：

第一，金属材料：2024T62铝合金。该金属材料的化学成分和机械性能如下表所示：能够充分的吸收激光，需要在金属材料涂面层覆盖透明K9光学玻璃片将其作为约束层，从而增加激光冲击处理过程当中金属材料所受的压力。

分析金属材料疲劳寿命的试件主要采用双联狗骨型紧固孔疲劳试件，其涂层和约束层同上，试件的两个孔，一个为双面激光强化使用，另一个作为对比使用。

第二，本试验所采取的激光装置为高功率密度的钕玻璃激光装置。该装置进行激光冲击处理时，装置的光路系统都是有谐振腔、前置放大1/2、主方大1/2/3三个部分构成的，激光波长的长达达到1.06μm，单脉冲最大能量约为40焦。

试验采用的调制晶体为KDP晶体，氙灯电压增加到1280伏，这样才能够保证激光脉冲宽度达到30ns。紧接着需要调整光路系统，从而确保激光能量为调制过的激光能量，没有自由震荡作用所产生的能量[4]。采用7834Tek储存示波器监测激光波形，最后得出结论：激光脉冲宽度最大宽达30ns，能够实现在线能量控制，这一过程当中如果发现能量波动太大或者等不正常情况，就需要检查光路系统是否正常运行，氙灯电压的调整使其恢复至正常状态。

表1 激光冲击处理金属材料的化学成分和机械性能

试验所使用的金属材料尺寸为15mm＊20mm＊3mm，表面涂黑漆涂层，厚度长达0.1mm，确保在激光冲击试验当中

2 对硬度的影响

激光处理会产生极强的应力波，进而金属表面会形成冲击力，峰值压力可达到1.75GPa甚至以上。如果应力波传播进入到了金属材料的内部，那么峰压便会超出金属材料的动态屈服强度，导致金属材料的塑性变形。

塑性变形会持续到峰压小于态屈服强度，最后，金属材料表面会不断的冷却硬化，增强疲劳寿命。

激光冲击处理过程当中激光冲击参数如下：能量为27.5J，激光脉宽为30ns，功率密度为1.12GW/cm2，光斑直径为10mm，通过相关的计算可得出金属材料表面的冲击波峰压大约在1.8GPa，大于铝合金这种金属材料表面的动态屈服强度，导致金属材料表面的塑性变形。此外，由于激光光斑的能量分布进金属材料表面也具有很大的差异性，金属材料激光冲击区的硬度有着明显的上升，综合而言，金属材料的平均硬度提高了40%以上。

3 对晶粒的影响

对金属材料激光冲击前后的金相图片的对比，透过光学显微镜进行观察之后可以得出以下结论：金属材料使用激光冲击强化处理后，表层晶体的尺寸相比较于未处理之前，明显变小，因而我们可以看出，激光冲击处理能够实现金属材料晶体的细化，抑制疲劳裂纹的产生，提高疲劳寿命[5]。

4 对疲劳寿命的影响

对金属材料展开激光冲击处理时，激光冲击参数如下：单脉冲平均能量为16.5J，激光脉冲宽度为30ns，光斑直径为7mm，平均功率密度为1.45GW/cm2，所产生的冲击波峰压大约为1.95GPa，且经过相关的检验可发现，在金属材料的冲击区已经形成了标记紧密的光亮圈，且表面粗糙程度远低于未受冲击的区域，且出现了略微的凹陷，深度为10μm～20μm之间。出现凹陷的主要原因是金属材料塑性变形的结果。

使用对比法对金属材料疲劳试验数据可以得出，金属材料在使用激光冲击处理之后，疲劳寿命实现了稳定的增长，是未受激光冲击强化试验金属材料的5倍～15倍左右。

5 结语

相比较于传统金属材料机械性能改善技术，激光终极主要采用的是通过对高功率密度短脉冲强激光冲击金属表面，实现金属表面涂层的汽化和电离对金属材料内部形成强压缩冲击波，对金属材料表层进行塑性变形，最终实现强化。因而激光冲击之后的金属材料，无论是强度、硬度、还是疲劳寿命而言，都有着极大的改善。因而可以说，在金属材料机械性能的处理过程当中，激光冲击是一种最为有效，且最为使用的改善方式。本文主要从三个方面对于基于激光冲击的金属材料机械性能研究及影响分析展开了探究，可供相关人士参考。