摘要

本文綜述了近年來溫激光衝(chong) 擊強化技術及相關(guan) 激光加工技術的研究進展。詳細討論了WLSP的工藝設計、增強的機械性能和組織演變。通過建立加工-組織-性能關(guan) 係，回顧了基本的加工機理。重點討論了納米級析出過程的析出動力學，研究了工藝參數對納米級析出物形核的影響，並總結了多尺度離散位錯動力學(MDDD)模擬結果，研究了位錯的增殖和傳(chuan) 播行為(wei) 以及位錯釘紮效應。此外，綜述了熱工程激光衝(chong) 擊強化技術(TE-LSP)的研究進展，重點介紹了熱工程激光衝(chong) 擊強化技術的析出相粗化、疲勞壽命延長以及基本的工藝機理。

1. 介紹

激光衝(chong) 擊噴丸(Laser shock peening, LSP)是一種有效的激光表麵處理技術，用於(yu) 對金屬材料進行表麵處理，以提高金屬材料的表麵強度，改善耐磨性和耐腐蝕性，延長疲勞壽命。這些優(you) 異的機械性能主要歸功於(yu) 激光誘導的表麵殘餘(yu) 壓應力和加工硬化層。與(yu) 其他用於(yu) 提高疲勞性能的塑性變形工藝，如噴丸強化(SP)和超聲波衝(chong) 擊強化(UIP)相比，LSP具有以下優(you) 點: (1)壓縮或拉伸超載; (2)加工複雜幾何形狀零件的能力;(3)精確控製脈衝(chong) 激光能量的能力;(4)由於(yu) 燒蝕塗層的存在，目標表麵基本沒有損傷(shang) 。因此，LSP在工業(ye) 上得到了廣泛的應用。

盡管有這些優(you) 點，但LSP的效率主要受到一個(ge) 主要挑戰的限製:在機械加載或熱加熱過程中，殘餘(yu) 壓應力和加工硬化層容易出現鬆弛。即使在發動機溫度適中的情況下，也可在不到10分鍾的時間內(nei) 減輕一半的初始壓應力。三種機製是殘餘(yu) 應力鬆弛的主要原因:(1)壓縮或拉伸超載;(2)循環加載接近或高於(yu) 極限疲勞;(3)暴露於(yu) 熱循環中。從(cong) 物理冶金學的角度來看，應力弛豫是通過位錯的傳(chuan) 播和增殖與(yu) 組織重排相關(guan) 聯的。因此，為(wei) 了提高激光強化的工藝效率和效果，開發新型的激光強化工藝來提高殘餘(yu) 壓應力的穩定性顯得尤為(wei) 重要。

噴丸前和噴丸後裂紋形狀的比較。

上圖給出了噴丸前後貫穿管壁的主應力腐蝕裂紋形狀示意圖。噴丸前拉管的裂紋形狀為(wei) 半橢圓形，裂紋長度在管壁內(nei) 表麵最大，在管壁內(nei) 減小。這種形狀類似於(yu) 在沒有kiss輥的情況下，在液壓膨脹管上觀察到的(Stubbe,1996, KAERI, 1992)。對於(yu) 噴丸後產(chan) 生的裂紋，管壁內(nei) 表麵裂紋長度比管壁內(nei) 裂紋長度短0.1-0.7 mm左右。裂紋的最大長度約為(wei) 管壁厚的四分之一。在比利時工廠的噴丸管上也觀察到了這種凸起的形狀(Stubbe, 1996)。噴丸處理對裂紋的取向沒有影響;所有裂紋均為(wei) 軸向或略向管軸傾(qing) 斜。

WLSP是一種集LSP、動態應變時效(DSA)和動態沉澱(DP)優(you) 點於(yu) 一體(ti) 的熱機械表麵處理技術，具有獨特的、高穩定性的顯微組織。DSA作為(wei) 一種強化機製，通過移動位錯與(yu) 擴散溶質原子的相互作用促進位錯的增殖。這導致更均勻和高密度的位錯結構。DP又稱應變誘導析出，是變形過程中導致析出相形核的一種熱-機械析出效應。在WLSP中，DP的成核過程是由DSA中高密度位錯的存在輔助的。dp誘導的納米析出相可以通過位錯與(yu) 析出相之間的彈性相互作用抑製附近位錯的運動，即位錯釘紮效應。這種釘紮效應是提高殘餘(yu) 應力和微觀組織穩定性的主要因素。從(cong) 而進一步提高了金屬材料的力學性能。

在WLSP過程中，dp誘導的納米顆粒粒徑一般為(wei) 5 ~ 10nm。這是由與(yu) 激光脈衝(chong) 持續時間相關(guan) 的短DP時間(在納秒量級)決(jue) 定的。位錯釘紮強度受析出相尺寸、數密度、粒子間距和體(ti) 積分數等參數的影響。為(wei) 了優(you) 化位錯釘紮強度，熱工程激光衝(chong) 擊強化技術(TE-LSP)得到了進一步的發展，通過將析出相動力學從(cong) 形核階段擴展到粗化階段，來調整析出相參數，進一步提高金屬材料的疲勞性能。

本文從(cong) 工藝設計、機械性能的提高和顯微組織的演變等方麵對激光激光強化技術進行了綜述。更重要的是，通過建立工藝、組織和性能之間的關(guan) 係，探討了工藝機理。本文的研究成果可為(wei) 激光加工和/或熱機械加工技術的設計提供重要的見解和指導。

2. 溫激光衝(chong) 擊噴丸

2．1．流程設計

圖1為(wei) WLSP實驗設置示意圖。在WLSP過程中，將目標材料加熱到一定的加工溫度。可以采用多種加熱方法來提供熱能。在目標樣品的上表麵放置一層燒蝕塗層材料，以吸收激光能量，並保護樣品表麵不受任何不必要的損傷(shang) 。當聚焦脈衝(chong) 激光能量到達樣品表麵時，燒蝕塗層被汽化和電離，形成激光誘導的等離子體(ti) 。激光誘導等離子體(ti) 的水動力膨脹受到置於(yu) 燒蝕塗層之上的透明約束介質的限製。從(cong) 而產(chan) 生激光誘導的衝(chong) 擊波並傳(chuan) 播到目標材料中，產(chan) 生有益的塑性變形。在實驗裝置上，可以選用多種材料作為(wei) 燒蝕塗層，如鋁箔、黑膠帶、石墨等，而透明的限製介質可選用玻璃、水、矽油等。與(yu) 傳(chuan) 統的激光LSP過程相似，調q Nd-YAG納秒脈衝(chong) 激光係統是可行的。

圖1 WLSP實驗設置示意圖。

在WLSP實驗中，激光功率強度和加工溫度是工藝優(you) 化的兩(liang) 個(ge) 最關(guan) 鍵的工藝參數。激光功率強度越高，殘餘(yu) 壓應力的大小越大，當激光強度達到一定水平時，殘餘(yu) 壓應力會(hui) 達到一個(ge) 飽和點。WLSP處理溫度應足夠高，以實現有效的DA效應，但又不能過高，導致熱鬆弛和組織重排。此外，還需要對激光加工參數進行操作，包括激光束尺寸、波長、重疊率等。

2.2 提高機械性能

表麵強度的增強是WLSP後產(chan) 生的最重要的有利表麵特性之一。研究人員對6061和7075鋁合金(圖2a和b)和碳鋼AISI 4140和1042(圖2c和d)和鈦合金Ti6Al4V進行了WLSP實驗。從(cong) 圖2中可以看出，與(yu) LSP試樣相比，WLSP試樣的表麵強度更大。例如，在2 GW/cm2的激光強度下，160℃(130 VHN) WLSP處理的AA6061試樣的表麵硬度比LSP (102 VHN)高27.5%;當激光強度為(wei) 4 GW/cm2時，與(yu) LSP相比，WLSP使AISI 4140的表麵硬度從(cong) 385提高到421VHN，提高了9.4%。這種表麵硬化現象既歸因於(yu) 通過表麵塑性變形產(chan) 生的應變硬化效應，也歸因於(yu) 通過第二相納米析出物產(chan) 生的沉澱硬化效應。由於(yu) 表麵硬度測試相對於(yu) 其他力學測試方法更容易進行，因此通常采用硬度測試來指導WLSP參數優(you) 化。

圖2 通過WLSP提高表麵強度:(a)鋁合金6061 (AA6061)， (b)鋁合金7075 (AA7075)， (c) AISI 4140鋼，(d)經批準采用的AISI 1042鋼

除表麵強度外，殘餘(yu) 壓應力穩定性的提高是延長疲勞壽命的主要原因。圖3顯示了AA6061和AISI 4140在WLSP後壓縮殘餘(yu) 應力循環穩定性的提高。如圖3a所示，經過wlsp處理的試樣比經過lsp處理的試樣具有更高的殘餘(yu) 應力循環穩定性，特別是在高循環區域。例如，LSP AA6061試樣在20萬(wan) 次循環加載後殘餘(yu) 應力值下降了38%，而WLSP試樣僅(jin) 下降了23%。

圖3 通過WLSP (a) AA6061和(b) AISI 4140提高了殘餘(yu) 壓應力的循環穩定性。

綜上所述，激光誘導殘餘(yu) 壓應力的大小和深度，以及殘餘(yu) 壓應力的穩定性對金屬材料的疲勞性能的決(jue) 定起著至關(guan) 重要的作用。圖4為(wei) WLSP後的疲勞壽命延長情況。與(yu) LSP相比，經過100萬(wan) 次加載循環後，WLSP可以進一步提高AA6061的疲勞強度，從(cong) 180 MPa提高到200 MPa(圖4a)。對鋁合金而言，高周區疲勞性能的改善比低周區更為(wei) 顯著。對於(yu) 碳鋼4140，從(cong) 圖4b的應力-壽命(S-N)曲線可以看出，WLSP試樣(1200 MPa)的疲勞極限比LSP試樣(1125 MPa)大75 MPa。對於(yu) Ti6Al4V鈦合金，如圖4c所示，在100-300℃時，WLSP試樣的疲勞性能要優(you) 於(yu) 室溫LSP試樣，但當WLSP處理溫度達到400℃時，出現了明顯的疲勞壽命劣化現象。

圖4 WLSP後的延長疲勞壽命：（a）AA6061，（b）AISI 4140，和（c）Ti6Al4V鈦合金

值得關(guan) 注的是，Ye和同事最近報道，與(yu) 室溫LSP相比，AA7075的WLSP能夠在不犧牲延展性的情況下提高材料強度。如圖5所示，WLSP試樣的強度為(wei) 557 MPa，高於(yu) LSP試樣的421 MPa，但延性保持在同一水平。這可以解釋為(wei) ，WLSP樣品中的位錯密度低於(yu) LSP樣品，為(wei) 位錯堆積留下了更多的空間。此外，由於(yu) WLSP產(chan) 生的沉澱引起的位錯釘紮效應，抑製了WLSP樣品中位錯的動態恢複，提高了位錯的積累能力，從(cong) 而提高了材料的延性。

圖5 WLSP為(wei) AA7075的高強度和延性結合。

2.3 WLSP誘導的微觀結構演變

為(wei) 進一步了解複合材料的機械性能，采用透射電子顯微鏡(TEM)研究複合材料在加工過程中的微觀組織演變。圖6對比了AISI 4140碳鋼LSP和WLSP後的顯微組織。如圖6a和b所示，LSP產(chan) 生位錯堆積，也稱為(wei) 剪切帶，而在WLSP樣品中觀察到更多分布均勻的糾纏位錯結構。這是由於(yu) wlsp誘導的DSA效應，導致位錯增殖和位錯/位錯相互作用，從(cong) 而形成高度糾纏的位錯結構。在光散射過程中，熱和機械能的結合促進了碳原子的擴散，導致位錯核附近碳原子濃度較高。這些位錯芯為(wei) 納米沉澱的產(chan) 生提供了潛在的形核位點。在衍射圖中選擇一個(ge) 主要的衍射點拍攝的暗場TEM圖像(圖6c)顯示了位錯和析出物的糾纏。為(wei) 了更好地觀察析出相，在衍射圖中選擇與(yu) 析出相相關(guan) 聯的衍射點，拍攝TEM圖像(如圖6d所示)。在DA效應的作用下，WLSP產(chan) 生了高密度的球狀納米顆粒，粒徑約為(wei) 10 nm。

圖6 碳鋼AISI 4140的顯微組織:(a) LSP樣品中的片層位錯帶，(b) WLSP樣品中的位錯均勻分布結構，(c) WLSP樣品中的位錯與(yu) 沉澱物的糾纏(主要衍射點的暗場圖像)，(d) WLSP產(chan) 生的球狀沉澱物(與(yu) 沉澱物相關(guan) 的衍射斑的暗場圖像)

除碳鋼外，鋁合金是另一種可行的材料體(ti) 係。WLSP過程中鋁合金微觀組織演變的TEM圖像如圖7所示。為(wei) 了研究激光噴丸效果,AA6061是均相的微觀結構在激光加工解決(jue) 方案治療,以及由此產(chan) 生的微觀結構的太陽能發電和WLSP樣本比較圖7 a和b。Nano-precipitates高密度和小尺寸生成在WLSP樣品由於(yu) DA效果(圖7 b),LSP樣品中未觀察到第二相粒子。為(wei) 了更好地觀察析出相的結構，選擇與(yu) 析出相相關(guan) 聯的弱衍射斑來拍攝暗場圖像(圖7c)。從(cong) 圖7c中可以看出，T6靜態時效產(chan) 生了較大的棒狀顆粒，而WLSP通過DA生成了較小的粒徑約為(wei) 5 ~ 10nm的球形顆粒。此外，Ye和同事還研究了WLSP AA7075樣品的深層析出相分布。從(cong) 圖7d中可以看出，納米沉澱物在頂表麵的體(ti) 積分數(19.5%)遠遠高於(yu) 400 μm以下的納米沉澱物體(ti) 積分數(9.7%)。這是由於(yu) WLSP引入的塑性應變梯度特性。

圖7 鋁合金顯微組織TEM圖:(a) LSP處理後的AA6061; (b) 160℃下WLSP處理後的AA6061中納米級球形沉澱物;(C) WLSP處理後的AA6061- t6樣品中球形和棒狀沉澱物的暗場圖像。

2．4．過程機製

隨著對強化機械性能和微觀組織演變的研究，通過建立工藝、微觀組織和性能之間的關(guan) 係，科學地研究基本的工藝機理尤為(wei) 重要。

2.4.1 工藝與(yu) 組織的關(guan) 係

在WLSP工藝中，最重要的工藝參數是加工溫度和激光強度的提高，有利的顯微組織是位錯的均勻分布和納米析出物的高密度。為(wei) 了建立工藝和微觀結構之間的關(guan) 係，應回答以下基本問題:WLSP過程中析出相的形核機製是什麽(me) ，加工溫度和激光參數對形核過程的影響是什麽(me) ，應變硬化和納米析出相的存在共同作用下是如何產(chan) 生高密度、分布均勻的位錯結構的。

為(wei) 了研究成核機理，建立了考慮加工溫度和激光功率強度的數值模型，預測了WLSP中析出相的成核密度。

基於(yu) 峰值衝(chong) 擊波壓力、塑性應變和應變速率等信息，提出了用擴展力學閾值應力(MTS)模型估計峰值衝(chong) 擊波後的流動應力。MTS模型是一種考慮位錯運動和堆積的物理模型。MTS模型綜合了熱激活位錯運動和粘滯拖曳效應，適用於(yu) 大於(yu) 105/s的超高應變速率變形。

圖8a對比了溫度對WLSP AA6061樣品中納米析出相形核密度的影響實驗數據和建模結果。從(cong) 圖8a中可以看出，模擬和實驗結果都表明，在160℃下，LSP後的成核密度達到了104/μm3的水平，而在室溫下，LSP產(chan) 生的析出物少得多。

圖8 WLSP過程中AA6061的微觀組織演化模型:(a)溫度對納米析出相形核密度的影響:(b)有納米沉澱物的MDDD計算單元中位錯結構的時間演化，(c)無納米沉澱物的MDDD計算單元中位錯結構的時間演化。

為(wei) 了研究WLSP過程中位錯的增殖和傳(chuan) 播行為(wei) ，采用多尺度離散位錯動力學(MDDD)模擬了WLSP過程。與(yu) 分子動力學(MD)模擬和蒙特卡羅(MC)模擬相比，MDDD模擬更適合於(yu) 激光噴丸過程的模擬，因為(wei) MDDD具有較大的計算量和較長的計算時間。為(wei) 了模擬WLSP過程，在MDDD計算單元中初始化不同長度的Frank-Read位錯源，並在計算單元中插入作為(wei) 位錯移動障礙的frank -固位環來模擬納米沉澱。在MDDD程序中，通過控製塑性變形應變速率來考慮激光噴丸的激光強度效應，通過調節材料常數和位錯遷移率來考慮激光噴丸的加工溫度。從(cong) 圖8b和圖c中可以看出，納米析出相密度高的計算細胞中形成了均勻分布的位錯，而在沒有納米析出相的MDDD細胞中，形成了位錯密度較高的位錯堆積和密度較低的位錯無區。模擬結果與(yu) TEM觀測結果吻合較好。其獨特的微觀組織演化行為(wei) 是由於(yu) DSA和DA效應以及位錯與(yu) 析出相相互作用產(chan) 生的位錯釘紮效應。

2.4.2 微觀結構與(yu) 性能的關(guan) 係

在激光強化過程中，位錯釘紮效應是提高表麵強度、提高殘餘(yu) 應力穩定性、延長疲勞壽命的主要原因。為(wei) 了研究組織與(yu) 性能之間的關(guan) 係，采用MDDD係統模擬了位錯釘紮效應，並考慮了顆粒體(ti) 積密度、顆粒尺寸和顆粒間距效應。如圖9所示，模擬AA6061的應力-應變曲線，顆粒體(ti) 積密度越大，顆粒尺寸越大，位錯釘紮強度越大。在顆粒體(ti) 積分數不變的情況下，通過同時操縱顆粒密度和大小來研究顆粒間距效應(圖9c)。從(cong) 圖9c中可以看出，位錯釘紮效應主要受顆粒密度效應而不是尺寸效應的影響。圖9的模擬結果為(wei) WLSP的過程機製提供了有力的證據:WLSP過程中位錯與(yu) 納米析出相相互作用引起的位錯釘紮效應是提高金屬材料機械性能的基礎。

圖9 對AA6061的WLSP進行MDDD模擬，得到了(a)體(ti) 積密度、(b)尺寸和(c)顆粒間距對位錯釘紮效應的影響。

3.熱工程激光衝(chong) 擊強化

在WLSP之後，即使由於(yu) DA效應產(chan) 生了高密度的納米沉澱物，由於(yu) DA時間短(納秒量級)，通常粒徑僅(jin) 為(wei) 5 - 10nm。受圖9中MDDD模擬結果的激勵，通過將析出動力學從(cong) 形核階段擴展到粗化階段，優(you) 化顆粒參數(尺寸、密度和顆粒間間距)，進一步提高位錯釘紮強度具有很大的潛力。因此，最近提出了熱工程激光衝(chong) 擊強化技術(TE-LSP)來優(you) 化材料的微觀結構，進一步提高熱機械激光衝(chong) 擊強化工藝的效果和效率。TE-LSP結合了WLSP和以下熱處理工藝，綜合了LSP、DA、DSA和靜態老化(SA)的優(you) 點，獲得了最佳的機械性能。

對碳鋼AISI 4140和鋁合金AA6061進行了TE-LSP實驗，驗證了WLSP與(yu) 隨後的SA加熱工藝相結合可以提高位錯釘紮強度，從(cong) 而進一步延長疲勞壽命的假設。為(wei) 獲得優(you) 化的疲勞壽命，對激光噴丸強度、WLSP溫度、後加熱時間和溫度4個(ge) 工藝參數進行了優(you) 化。

圖10總結了TE-LSP[43]處理後AISI 4140的機械性能增強情況。對於(yu) 450℃的衝(chong) 擊後回火處理(圖10a)，與(yu) WLSP相比，經過2 h的衝(chong) 擊後回火處理，其峰值表麵強度提高了28%，表麵硬度從(cong) 360 vhn提高到461VHN。由於(yu) 過時效效應，衝(chong) 擊後回火時間越長，軟化效應越明顯。對於(yu) 350℃的衝(chong) 擊後回火，需要較長的回火時間才能達到峰值強度，而對於(yu) 550℃的衝(chong) 擊後回火，由於(yu) 動態恢複效應，回火過程中硬度急劇下降。

圖10 除表麵強度外，衝(chong) 擊後2 h回火試樣的殘餘(yu) 壓應力具有較好的循環穩定性，如圖10b所示。例如，在100 k循環加載後，回火2 h試樣的殘餘(yu) 應力僅(jin) 鬆弛21.6%，而WLSP試樣的殘餘(yu) 應力則下降了44%。這提高了表麵強度和殘餘(yu) 應力穩定性，有助於(yu) 進一步延長疲勞壽命。如圖10c所示，回火2 h試樣的疲勞極限比WLSP試樣的疲勞極限大200 MPa左右。在此還注意到，較長的衝(chong) 擊後回火時間導致疲勞強度的下降。

為(wei) 了探索TE-LSP過程中衝(chong) 擊後加熱效應的基本機理，利用TEM研究了TE-LSP過程中的微觀結構演變。圖11a和b是暗場TEM圖像，通過從(cong) 衍射圖中選擇沉澱相關(guan) 衍射點，僅(jin) 顯示AISI 4140中的沉澱結。結果表明，經過2h的衝(chong) 擊回火後，粗化效應導致形成直徑為(wei) 40-50nm的析出物，顆粒密度保持在較高水平。然而，經過6h的衝(chong) 擊回火後，平均粒徑增大到約100nm，但發現顆粒密度顯著下降。在經TE-LSP處理的AA6061中也觀察到類似現象（圖11c和d）。

圖11 顯示TE-LSP過程中沉澱粗化的TEM圖像：（a）衝(chong) 擊後2小時回火的AISI 4140樣品，（b）衝(chong) 擊後6小時回火的AISI樣品，（c）衝(chong) 擊後1小時時效的AA6061樣品，以及（d）經批準采用的衝(chong) 擊後4小時時效的AA6061樣品。

如前所述，位錯釘紮強度受顆粒大小、密度和顆粒間距的影響很大。在後衝(chong) 擊加熱過程中，析出物的粗化動力學導致粒度、密度和顆粒間距之間的平衡。

即使WLSP和相關(guan) 激光加工技術已被證明是有前途的激光材料加工工藝，以改善金屬性能的疲勞性能，進一步的研究也具有特定的興(xing) 趣和重要性。特別是，未來的研究目標包括：建立完整的基於(yu) 物理的過程模擬和材料模型，以實現這些激光技術的工業(ye) 應用，發現除疲勞性能之外的其他增強機械性能，基於(yu) 對WLSP機理的了解，進一步開發新的激光加工工藝。

4.結論

本文綜述了近年來WLSP及其相關(guan) 激光加工技術的研究進展，重點介紹了其工藝設計、增強的力學性能和微觀結構演變。通過建立過程、微觀結構和性能之間的關(guan) 係，特別是沉澱動力學和位錯釘紮效應之間的關(guan) 係，詳細討論了基本的過程機理。此外，還對TE-LSP的最新研究進行了綜述。本文所獲得的知識將為(wei) 其他新型激光加工工藝和/或熱機械工藝設計提供見解和指導。