第1章 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)
　　在交變服役載荷與交變服役溫度作用下，金屬零部件經(jīng)常因?yàn)榫植科诹鸭y、斷裂而整體報(bào)廢，甚至導(dǎo)致設(shè)備或裝備的故障或事故。疲勞斷裂是影響機(jī)械結(jié)構(gòu)和裝備安全性、可靠性的重要因素[1]，航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件高溫疲勞斷裂問(wèn)題是研制和使用中的疑難問(wèn)題。大量研究表明，金屬構(gòu)件的疲勞性能與其表面完整性密切相關(guān)，一般情況下，斷裂往往是由于在交變載荷的作用下構(gòu)件表面產(chǎn)生裂紋，逐漸擴(kuò)展而導(dǎo)致整體的破壞。
　　為提高超常服役條件下結(jié)構(gòu)的可靠性，延長(zhǎng)使用壽命，在不改變基體材料性能的前提下，表面強(qiáng)化技術(shù)得到了國(guó)際上越來(lái)越多的研究，并提出了多種表面強(qiáng)化方法，得到了廣泛的應(yīng)用，取得了很好的效果和效益[2]。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)因其具有強(qiáng)化效果佳、可控性強(qiáng)、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注和研究，已成功用于提高部件的疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命[3，4]。
　　激光沖擊強(qiáng)化(laser shock processing或laser shock peening，LSP)概念的出現(xiàn)可以追溯到20世紀(jì)60年代，但真正研究則是從70年代開(kāi)始，而受到廣泛重視和快速發(fā)展卻是在90年代之后。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是一種新型的材料表面改性處理技術(shù)，作用于高功率激光與材料相互作用的物理過(guò)程，高功率密度(109W/cm2量級(jí))、短脈沖寬度(10~30ns量級(jí))的強(qiáng)激光通過(guò)透明約束層輻照材料表面，從而產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)對(duì)材料表面進(jìn)行處理。在激光沖擊的過(guò)程中，材料待處理的表面覆蓋一層吸收層，然后在其上覆蓋一層透明約束層(如水、石英玻璃等)，其主要目的是提高材料對(duì)激光能量的吸收率并防止材料表面被激光燒蝕。材料表面所涂覆的能量吸收涂層吸收激光能量而迅速氣化、電離，形成大量稠密的高溫(>104K)、高壓(>1GPa)等離子體，等離子體受后續(xù)激光輻射，迅速積累能量，引發(fā)膨脹爆炸，激光維持的等離子體爆轟波向材料內(nèi)部傳播，形成沖擊波。如果沖擊波的壓力足夠高，那么材料在短時(shí)間內(nèi)以極高的應(yīng)變率(可高達(dá)106/s)發(fā)生變形和動(dòng)態(tài)屈服，產(chǎn)生冷塑性變形，形成殘余應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)伴隨位錯(cuò)、孿晶等晶體缺陷的形成，改善材料的物理力學(xué)性能，如疲勞壽命、硬度、耐磨性和耐腐蝕性等。當(dāng)沖擊波的峰值壓力大于材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，材料表層發(fā)生超高應(yīng)變率的塑性變形，位錯(cuò)密度顯著增大，表層材料晶粒細(xì)化，在表層產(chǎn)生了一定深度的高幅值殘余壓應(yīng)力，形成強(qiáng)化區(qū)，從而提高材料的抗疲勞性能、耐磨性、抗斷裂性等機(jī)械性能。在高溫條件下，金屬在變形過(guò)程中不僅形狀發(fā)生了改變，而且還伴隨著復(fù)雜的微觀(guān)組織變化，如動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等，其基本原理如圖1-1所示。




　　圖1-1 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)原理圖


　　激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)具有強(qiáng)化效果佳、可控性強(qiáng)、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，可成功用于提高部件的疲勞強(qiáng)度、消除焊接殘余拉應(yīng)力等方面，從而衍生出一種新的改性延壽技術(shù)——激光沖擊改性和延壽技術(shù)。該延壽技術(shù)將現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、材料科學(xué)、先進(jìn)制造技術(shù)等多方面的成果和知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用，利用激光沖擊使低等級(jí)材料實(shí)現(xiàn)高性能表層改性，達(dá)到零件低成本與工件表面性能的最佳結(jié)合，為解決整體強(qiáng)化和其他表面強(qiáng)化手段難以解決的矛盾帶來(lái)了可能性，對(duì)重要構(gòu)件材質(zhì)與性能的選擇匹配、設(shè)計(jì)、制造產(chǎn)生重要的影響，甚至將導(dǎo)致設(shè)計(jì)和制造工藝的某些根本性變革。
　　本章系統(tǒng)介紹激光沖擊強(qiáng)化理論和技術(shù)，主要內(nèi)容包括激光沖擊強(qiáng)化的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)；激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波原理的分析；激光沖擊強(qiáng)化的兩種模型；激光沖擊強(qiáng)化有限元分析的理論知識(shí)和基于微觀(guān)組織理論的研究等。同時(shí)在后續(xù)章節(jié)中，將比較系統(tǒng)地介紹激光沖擊強(qiáng)化對(duì)鋁合金、耐熱鋼和鎳基合金等金屬在中高溫服役環(huán)境下提高力學(xué)性能和疲勞壽命的研究及應(yīng)用，并對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行闡述和總結(jié)。主要內(nèi)容包括激光沖擊對(duì)6061-T651鋁合金中高溫力學(xué)性能影響和強(qiáng)化機(jī)制研究；金屬疲勞性能激光強(qiáng)化改性及其疲勞安全壽命優(yōu)化研究；滲鋁復(fù)合激光沖擊處理對(duì)耐熱鋼高溫力學(xué)性能影響研究和中高溫服役環(huán)境下激光沖擊鎳基合金試驗(yàn)與機(jī)理研究等。通過(guò)這些具體的應(yīng)用實(shí)例，充分反映出激光沖擊強(qiáng)化這項(xiàng)新技術(shù)的先進(jìn)性和實(shí)用性，是近幾十年來(lái)迅速發(fā)展的材料表面新技術(shù)，也是材料科學(xué)的最新研究領(lǐng)域之一。


　　1.1 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)
　　激光沖擊強(qiáng)化從20世紀(jì)90年代快速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用，可以說(shuō)其發(fā)展史與航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件疲勞斷裂密切相關(guān)。至2012年，國(guó)際上只有美國(guó)和中國(guó)實(shí)現(xiàn)了激光沖擊強(qiáng)化規(guī)�；こ虘�(yīng)用。
　　1.1.1 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用
　　自20世紀(jì)70年代激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)用于材料表面改性以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。1972年，F(xiàn)airand等在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金的資助下使用高功率脈沖激光誘導(dǎo)沖擊波改變了7075鋁合金的機(jī)械性能和顯微組織結(jié)構(gòu)，研究表明，合金的屈服強(qiáng)度提高了30%，從此揭開(kāi)了激光沖擊波強(qiáng)化材料的研究序幕。1978年，F(xiàn)airand等又開(kāi)展了激光沖擊強(qiáng)化處理提高鐵基合金和航空鋁合金疲勞性能的研究[6]，研究結(jié)果表明，激光沖擊強(qiáng)化降低了裂紋的擴(kuò)展速度，大幅度提高了飛機(jī)緊固孔的疲勞壽命[6~8]。幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，主要分為3個(gè)方面。
　　(1) 激光物理的理論研究。解析激光沖擊強(qiáng)化的物理過(guò)程，分析沖擊波和材料相互作用的機(jī)理，建立激光誘導(dǎo)爆轟波的理論模型并進(jìn)行有限元仿真等。
　　(2) 激光沖擊強(qiáng)化機(jī)理研究。從表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力和微觀(guān)組織等角度研究激光沖擊處理提高材料抗疲勞、耐腐蝕、抗摩擦磨損性能機(jī)制和沖擊強(qiáng)化過(guò)程中能量吸收層和約束層的相關(guān)理論研究等。
　　(3) 工程應(yīng)用研究。對(duì)激光器整套設(shè)備系統(tǒng)、激光沖擊處理工藝參數(shù)優(yōu)化、沖擊區(qū)域質(zhì)量控制技術(shù)、激光連續(xù)多點(diǎn)搭接沖擊和沖擊過(guò)程在線(xiàn)監(jiān)控的研究等。
　　激光沖擊強(qiáng)化在美國(guó)已經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，技術(shù)趨于成熟。1979年，美國(guó)洛克希德-佐治亞公司的William開(kāi)展了激光沖擊處理7075-T6和7475-T73鋁合金的研究。1995年，Jeff創(chuàng)立了全球第一家激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)公司(LSP Technologies Inc.)，利用其先進(jìn)的激光沖擊處理設(shè)備系統(tǒng)，向工業(yè)界提供激光沖擊處理技術(shù)和加工服務(wù)。2004年美國(guó)頒布了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)規(guī)范AMS2546。從事激光沖擊研發(fā)和加工的企業(yè)主要有通用電氣航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司(General Electric Aircraft Engines，GEAE)、激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)公司(LSP Technologies Inc.， LSPT)和金屬?gòu)?qiáng)化公司(Metal Improvement Company，MIC)。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在航空航天、核工業(yè)、海洋船舶、石油化工、醫(yī)療等領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用前景。2002年，美國(guó)MIC公司將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)用于F119葉片生產(chǎn)線(xiàn)，突破了傳統(tǒng)噴丸不能強(qiáng)化部位的難題，提高了抗破壞能力，延長(zhǎng)了使用壽命，顯著提高了效率，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，從此激光沖擊技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于航空零部件的制造和修理當(dāng)中。石油及天然氣采油裝置、管道焊接區(qū)也采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，提高了管道的抗應(yīng)力腐蝕疲勞壽命；鈦合金微動(dòng)疲勞性能較差，激光沖擊可將鈦合金的微動(dòng)疲勞壽命提高10~25倍。
　　激光沖擊強(qiáng)化研究在中國(guó)起步較晚，但發(fā)展迅速。該項(xiàng)技術(shù)涉及先進(jìn)的軍事應(yīng)用領(lǐng)域，目前屬于禁止向中國(guó)輸出的敏感技術(shù)和產(chǎn)品。但國(guó)人自強(qiáng)不息、艱苦奮斗，已獲得大量的成果，具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前從事激光沖擊研究的單位有江蘇大學(xué)、空軍工程大學(xué)、北京航空制造工程研究所(625所)、南京航空航天大學(xué)、華東理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華中科技大學(xué)、航空材料研究院和成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院等。經(jīng)過(guò)二十多年的研究，在理論和試驗(yàn)研究方面取得了優(yōu)異的成績(jī)，為該技術(shù)工業(yè)化的實(shí)現(xiàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。1992年南京航空航天大學(xué)與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作，開(kāi)展了航天結(jié)構(gòu)抗疲勞斷裂的激光沖擊強(qiáng)化研究，對(duì)激光產(chǎn)生的沖擊波及其對(duì)材料的強(qiáng)化機(jī)理和沖擊區(qū)的表面質(zhì)量等進(jìn)行了大量的研究。1995年，華中科技大學(xué)的鄒鴻承等用釔鋁石榴石固體激光器對(duì)LY12CZ鋁合金進(jìn)行了多點(diǎn)釘合處理，使試樣的表面硬度提高了5倍，硬化層深度為0.1~0.2mm。清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了激光沖擊制備表面高性能納米涂層的新工藝，將碳納米管通過(guò)激光誘導(dǎo)的沖擊波冷植入鋁合金表層，該工藝結(jié)合激光沖擊和納米復(fù)合材料雙重強(qiáng)化效果，為制備納米復(fù)合涂層提供了新思路。江蘇大學(xué)激光研究團(tuán)隊(duì)將激光沖擊技術(shù)用于節(jié)能環(huán)保型球團(tuán)鏈篦機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)，解決了長(zhǎng)壽命問(wèn)題，并獲得2009年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。西安天瑞達(dá)光電技術(shù)發(fā)展有限公司和陜西藍(lán)鷹航空電器有限公司共同承建了中國(guó)第一條激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)線(xiàn)，該示范線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面(如葉片)雙面激光沖擊強(qiáng)化。
　　國(guó)內(nèi)外的研究表明，激光沖擊強(qiáng)化對(duì)各種鋁合金、高溫合金、鈦合金、不銹鋼等均有良好的強(qiáng)化效果[9-12]，因此激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在航空航天、汽車(chē)工業(yè)、石油化工、核工業(yè)、海洋船舶和醫(yī)療工業(yè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，甚至在某些場(chǎng)合有著不可替代的作用。但要使激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在實(shí)際工程上得到廣泛的應(yīng)用，還必須從以下幾點(diǎn)做更進(jìn)一步的研究[5]。
　　(1) 高性能激光沖擊強(qiáng)化裝置的研制和開(kāi)發(fā)。
　　(2) 激光沖擊強(qiáng)化效果的無(wú)損檢測(cè)手段。
　　(3) 能集涂層與約束涂層于一體的并適用于實(shí)際工程應(yīng)用的柔性貼膜。
　　(4) 激光沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)的制定和沖擊強(qiáng)化效果的在線(xiàn)控制方法的完善。
　　1.1.2 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
　　1. 方形激光光斑
　　目前常用的激光光斑形狀為圓形，然而圓形光斑殘余應(yīng)力空洞現(xiàn)象比較嚴(yán)重。美國(guó)的MIC公司已使用方形光斑進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，方形光斑殘余應(yīng)力空洞現(xiàn)象很弱，且連續(xù)搭接沖擊時(shí)，搭接平整、需要的最小搭接率小，提高了強(qiáng)化效率，獲得的加工表面質(zhì)量相對(duì)較好，圖1-2為方形光斑用于激光強(qiáng)化飛機(jī)葉片。




　　圖1-2 方形激光光斑應(yīng)用于飛機(jī)葉片示意圖


　　2. 可移動(dòng)激光處理設(shè)備
　　國(guó)內(nèi)激光沖擊設(shè)備裝置主要固定在實(shí)驗(yàn)室中，通過(guò)數(shù)控工作臺(tái)的移動(dòng)完成不同結(jié)構(gòu)件部位的激光沖擊強(qiáng)化，主要適用于試驗(yàn)研究。在工程應(yīng)用方面，對(duì)于已經(jīng)裝備好的不方便拆卸的零件或者難以在工作臺(tái)上裝夾的大型設(shè)備件均不適用。為了擴(kuò)大激光沖擊強(qiáng)化的應(yīng)用范圍，可移動(dòng)激光沖擊處理系統(tǒng)必然會(huì)成為發(fā)展的主要趨勢(shì)，配合柔性機(jī)器人系統(tǒng)、光纖激光器等技術(shù)，加工柔性化程度極高，不受場(chǎng)地、零件尺寸等因素的限制，可進(jìn)行三維選區(qū)立體激光沖擊強(qiáng)化。
　　3. 熱激光沖擊處理(warm laser shock processing)
　　熱激光沖擊強(qiáng)化是一項(xiàng)熱-機(jī)械復(fù)合處理技術(shù)，整合了激光沖擊強(qiáng)化和動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的優(yōu)點(diǎn)。其主要技術(shù)特征是在激光沖擊之前對(duì)材料進(jìn)行預(yù)熱處理，在合適的處理溫度條件下(如鋼材為150~300℃)，熱激光沖擊復(fù)合技術(shù)可以獲得更高的殘余壓應(yīng)力、硬度和晶粒細(xì)化程度，能更加顯著地提高處理構(gòu)件的疲勞壽命。
　　1.1.3 激光沖擊數(shù)值模擬的發(fā)展
　　許多工程分析問(wèn)題涉及過(guò)程通常用流體力學(xué)和彈塑性動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述，根據(jù)情況采用一維或多維空間，綜合化學(xué)反應(yīng)方程、反應(yīng)率方程、熱傳導(dǎo)方程和材料本構(gòu)關(guān)系等，成為含有線(xiàn)性和非線(xiàn)性的偏微分方程、常微分方程、積分方程、泛函方程和代數(shù)方程的一個(gè)封閉方程組，根據(jù)具體情況有不同的初始條件和邊界條件。這些方程只有在極其簡(jiǎn)單的情況下才可以得到一些解析解，一般只限于包含兩個(gè)自變量的平面問(wèn)題。這種方法在有限的情況下是可行的，但是過(guò)多的簡(jiǎn)化可能導(dǎo)致誤差過(guò)大，甚至?xí)a(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。隨著科學(xué)和生產(chǎn)的發(fā)展，解析解已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不符合要求，人們把注意力轉(zhuǎn)向數(shù)值解，因?yàn)閿?shù)值解對(duì)控制方程的限制寬得多，可以得到更接近實(shí)際情況的解。因此，人們?cè)趶V泛吸收現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物——計(jì)算機(jī)來(lái)獲得滿(mǎn)足工程要求的數(shù)值解，這就是數(shù)值模擬技術(shù)。數(shù)值模擬是現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展的重要推動(dòng)力之一。目前，爆炸沖擊效應(yīng)領(lǐng)域主要的數(shù)值模擬方法包括有限元法、有限差分法和有限體積法等。有限差分法和動(dòng)力有限元法的發(fā)展已比較成熟，是目前沖擊載荷作用下的動(dòng)力結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用最多的兩種方法。
　　由于數(shù)值模擬技術(shù)計(jì)算精度和可靠性高，其計(jì)算結(jié)果已成為各類(lèi)工
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