激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)又稱激光噴丸，是一種新型有效、發(fā)展迅速的表面改性技術(shù)。與傳統(tǒng)機(jī)械噴丸技術(shù)相比，它能在工件表面形成更深的殘余壓應(yīng)力層，并且可控性強(qiáng)、適應(yīng)性好，能夠處理難以處理的部位。目前，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、齒輪、核電站壓力焊縫等抗疲勞制造。隨著激光設(shè)備價(jià)格的進(jìn)一步下降，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用。

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)工程應(yīng)用廣泛

1972年，美國首次采用高功率激光誘導(dǎo)的沖擊波來處理高強(qiáng)鋁合金，發(fā)現(xiàn)其表面微觀組織發(fā)生改變，抗拉強(qiáng)度提高30%以上，從此揭開了激光沖擊強(qiáng)化研究的序幕。20世紀(jì)80年代后期，歐洲、日本、以色列等國家和地區(qū)紛紛開展了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究。

1995年，世界上第一家激光沖擊處理技術(shù)公司在美國創(chuàng)立。1997年，美國通用公司采用激光沖擊處理技術(shù)處理飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，大幅提高其抗外物損傷容限。2001年，美國激光沖擊處理技術(shù)公司對Rolls-Royce公司的800多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了激光沖擊強(qiáng)化處理。2004年，該公司與美國空軍實(shí)驗(yàn)室合作，對F/A-22上的發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金損傷葉片進(jìn)行了激光噴丸修復(fù)研究，其疲勞強(qiáng)度提升了兩倍。同年，美國正式頒布了激光沖擊處理規(guī)范，該技術(shù)被應(yīng)用于波音777的葉片處理。2012年，美國成功開發(fā)出移動(dòng)式激光沖擊處理設(shè)備，可以進(jìn)入工業(yè)現(xiàn)場提供實(shí)時(shí)服務(wù)。2002年，日本東芝公司利用小型激光器處理核反應(yīng)堆壓力容器和管道接頭等焊縫，提高零件的疲勞壽命。

激光沖擊處理航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤

國外有學(xué)者還將激光沖擊處理技術(shù)用于強(qiáng)化生物醫(yī)用金屬和合金，提高永久植入物硬度、屈服強(qiáng)度和疲勞壽命，降低鈣鎂合金等可降解植入物的降解速率。

國內(nèi)從20世紀(jì)90年代開始激光沖擊處理技術(shù)的研究，主要針對鋁合金和鋼材進(jìn)行一系列試驗(yàn)研究和相關(guān)理論研討。從1992年起，南京航空航天大學(xué)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作，開展了航空結(jié)構(gòu)件激光沖擊強(qiáng)化抗疲勞制造研究。1995年，國內(nèi)首臺(tái)單次激光沖擊實(shí)驗(yàn)用的激光沖擊強(qiáng)化裝置在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制成功。2008年，空軍工程大學(xué)聯(lián)合西安光電技術(shù)發(fā)展有限公司、北京鐳寶光電技術(shù)有限公司研制成功了我國第一條連續(xù)脈沖激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)線。2011年，我國首套整體葉盤激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)設(shè)備在中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制成功，并交付沈陽黎明發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司投入使用。

激光沖擊強(qiáng)化的機(jī)理與影響因素

當(dāng)功率密度大于10?W/cm2、脈沖寬度為納秒量級的激光束輻射金屬表面時(shí)，使能量吸收層吸收激光能量并發(fā)生爆炸性氣化蒸發(fā)，產(chǎn)生高溫(>10?K)、高壓(>1GPa）的等離子體層。激光沖擊強(qiáng)化利用了高壓等離子層施加在靶材上沖擊載荷所產(chǎn)生的向材料內(nèi)部傳播的強(qiáng)沖擊波。

激光沖擊強(qiáng)化機(jī)理示意圖

目前使用的約束層材料主要有K9光學(xué)玻璃、有機(jī)玻璃和水流層等。玻璃類材料約束層效果最好，但是適應(yīng)性差，會(huì)發(fā)生碎裂，僅適用于單次激光沖擊處理。一般激光沖擊試驗(yàn)及工業(yè)應(yīng)用采用水流層作為約束層，其具有適用性強(qiáng)、成本低、操作方便、無需更換等優(yōu)點(diǎn)。除了少部分激光沖擊處理過程不使用能量吸收層外，絕大部分需要使用能量吸收層。常用的能量吸收層主要為黑漆、鋁箔和黑膠帶等汽化熱低的材料。黑漆適用性較好，可以用于溝槽、小孔等處的激光沖擊強(qiáng)化處理，但是沖擊完成后不便于去除，因此一般選用鋁箔和黑膠帶作為能量吸收層。

影響激光沖擊強(qiáng)化效果的因素很多，主要有材料特性、約束層、能量吸收層、激光沖擊參數(shù)等。如果激光功率密度不變，激光的脈沖寬度越長，那么激光沖擊波作用材料的時(shí)間也越長，激光沖擊處理效果越好。然而，激光的脈沖寬度過大極易造成被沖擊處理材料的表面燒損現(xiàn)象。只有根據(jù)材料特性選擇合理的約束層、能量吸收層及激光沖擊參數(shù)等工藝參數(shù)，才能達(dá)到較好的強(qiáng)化效果。

激光沖擊強(qiáng)化數(shù)值模擬

數(shù)值模擬有助于獲得特定應(yīng)用場合最優(yōu)的工藝參量，已逐漸成為研究激光沖擊強(qiáng)化的重要手段。國內(nèi)外學(xué)者針對激光沖擊強(qiáng)化的建模及其優(yōu)化做了大量的研究工作。目前業(yè)界在顯式動(dòng)態(tài)分析+隱式靜態(tài)分析激光沖擊強(qiáng)化數(shù)值模擬法，以及基于本征應(yīng)變的激光沖擊強(qiáng)化數(shù)值模擬法等方面都取得了長足進(jìn)展。

當(dāng)高壓等離子層沖擊靶材后，沖擊區(qū)域材料發(fā)生高應(yīng)變率塑性變形，結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化非?？?，是一個(gè)高度非線性的高速動(dòng)力學(xué)問題。如果采用隱式有限元算法求解這類問題，不僅需要很大的計(jì)算量和存儲(chǔ)量，而且計(jì)算收斂困難。需要采用顯式有限元分析方法來求解等離子沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波。特別是綜合采用顯式、隱式有限元分析方法，進(jìn)行沖擊波作用下材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程的數(shù)值模擬，有利于獲得準(zhǔn)確的殘余應(yīng)力場預(yù)測結(jié)果。

采用單點(diǎn)激光沖擊殘余應(yīng)力計(jì)算及疊加方法對大面積區(qū)域的多點(diǎn)搭接激光沖擊進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，總的計(jì)算量往往巨大，需要花費(fèi)大量的時(shí)間才能得到試件的殘余應(yīng)力場。此外，由于工件幾何尺寸對殘余應(yīng)力場的影響較大，采用應(yīng)力疊加的方法難以準(zhǔn)確模擬形狀復(fù)雜曲面的真實(shí)構(gòu)件多點(diǎn)搭接激光沖擊強(qiáng)化的殘余應(yīng)力場。

為了有效解決這兩方面的問題，一些研究者建立了基于本征應(yīng)變的數(shù)值模型來進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化殘余應(yīng)力場的模擬。該模型認(rèn)為激光沖擊在構(gòu)件表層形成的本征應(yīng)變對構(gòu)件幾何形狀不敏感，模擬過程只關(guān)注激光沖擊誘導(dǎo)的塑性應(yīng)變，通過本征應(yīng)變疊加來獲得構(gòu)件大面積多點(diǎn)激光沖擊的應(yīng)變場，并采用一個(gè)熱彈性模型來獲得最后的殘余應(yīng)力場和塑性變形。

近幾年，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者將該模型用于不同復(fù)雜構(gòu)件激光沖擊強(qiáng)化殘余應(yīng)力場的數(shù)值模擬。采用這種本征應(yīng)變模型相比傳統(tǒng)模型的計(jì)算效率大大提高，建立的模型能有效預(yù)測激光沖擊誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力場。

作者簡介：石偉，男，工學(xué)博士，清華大學(xué)機(jī)械工程系副教授。主要研究領(lǐng)域?yàn)榻饘俨牧辖M織應(yīng)力控制，熱處理數(shù)值模擬，制造系統(tǒng)仿真優(yōu)化。負(fù)責(zé)與承擔(dān)國家國際科技合作項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、973計(jì)劃項(xiàng)目、“十一五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目課題。與企業(yè)合作完成多項(xiàng)熱加工工藝模擬與工藝優(yōu)化項(xiàng)目。獲得教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、北京市教育教學(xué)成果（高等教育）二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。