本文綜述了殘餘(yu) 壓應力和晶粒細化對金屬材料機械性能的影響，討論了LSP的最新發展和目前麵臨(lin) 的挑戰和未來的發展方向。本文為(wei) 第四部分。

4.6激光噴丸成形

LPF源於(yu) LSP，是一種非接觸、非熱效應的柔性金屬板處理方法。在LPF中，目標薄片樣品被保護層和限製層覆蓋（類似於(yu) LSP的樣品製備），隻需要夾緊樣品的一端或兩(liang) 端（而不需要固定樣品的底部）。與(yu) 傳(chuan) 統的激光熱成型不同，LPF通過使用激光誘導的衝(chong) 擊波（圖23a）來誘導彎曲，這是一種純機械過程，不會(hui) 造成熱損傷(shang) 。此外，該工藝還可以通過誘導有益的壓縮殘餘(yu) 應力和產(chan) 生表麵加工硬化層來改善金屬的疲勞性能。

圖23通過應力梯度法進行LPF彎曲的工藝步驟。

為(wei) 了預測LPF後試樣的彎曲角度，Hu等人提出了兩(liang) 種彎曲機製：應力梯度機製和衝(chong) 擊彎曲機製。LPF後金屬板的曲率取決(jue) 於(yu) 金屬厚度與(yu) 壓縮殘餘(yu) 應力深度的比率。當目標金屬較厚時，激光誘導的壓縮殘餘(yu) 應力僅(jin) 出現在表層（圖23b）。為(wei) 確保幾何相容性，壓縮殘餘(yu) 應力將部分鬆弛，這將導致負彎矩（圖23c）。負彎矩使目標表麵發生拉伸變形，從(cong) 而在目標金屬中產(chan) 生凸曲率。這個(ge) 過程被稱為(wei) “應力梯度機製”。當金屬板很薄時，激光會(hui) 在整個(ge) 厚度方向上產(chan) 生壓縮殘餘(yu) 應力（圖24b），在彎曲過程中，衝(chong) 擊波壓力（而非殘餘(yu) 應力梯度）引起的向下動量占主導地位。向下的動量產(chan) 生一個(ge) 正彎矩M（圖24c），該彎矩在下表麵引起拉伸變形，並在金屬板中產(chan) 生凹麵曲率。這個(ge) 過程被稱為(wei) “衝(chong) 擊彎曲機製”。

圖24 通過衝(chong) 擊彎曲機構進行LPF彎曲的工藝步驟：a）激光衝(chong) 擊加載，b）向下移動和塑性變形，c）衝(chong) 擊彎曲，d）單元上的彎曲力矩，以及e）一端固定的金屬板彎曲。

在前兩(liang) 種彎曲機製中，增加板材厚度或降低激光強度將減小彎曲角度。因此，可以合理地假設，通過調整加工參數（例如激光強度、板材厚度、掃描速度和/或其他參數），可以獲得理想的彎曲方向和彎曲角度。

根據對前兩(liang) 種彎曲機製的觀察，可以推斷，當薄板非常薄時，通常隻能通過LPF獲得凹曲率。為(wei) 了在薄板中產(chan) 生凸曲率，提出了一種稱為(wei) 飛秒LPF（FLPF）的方法。在該工藝中使用的低能激光可以減少殘餘(yu) 壓應力的深度，並且當選擇適當的參數時，可以獲得凸曲率。此外，當使用飛秒激光作為(wei) 能量源時，不需要使用保護層和約束層。這簡化了流程，提高了效率。

預彎曲半徑為(wei) 667 mm的顯式無限平板模型的等效塑性應變場輪廓:(a)頂麵塑性應變場，(b) x軸截麵深度塑性應變場。

為(wei) 了通過LPF形成高強度金屬，Hu等人提出了激光輔助LPF（LALPF）。為(wei) 了防止因加熱和減壓而導致的限製層（水）汽化，在成形過程中使用連續激光束加熱目標表麵的另一側(ce) 。這種加熱方法也可以在薄靶板上產(chan) 生理想的加熱效果。如圖25所示，與(yu) 未經激光加熱的LPF相比，LALPF可以通過降低靶材的強度來提高鈦合金板材的彎曲變形能力，還可以增加塑性變形層的深度。此外，增加激光加熱功率可以進一步增加彎曲變形。值得注意的是，使用過高的加熱溫度會(hui) 導致工件氧化，而由此產(chan) 生的硬脆氧化鈦副產(chan) 品將大大降低部件的疲勞壽命。因此，LALPF應選擇合適的加熱溫度。

圖25鈦合金板材在不同條件下的特征彎曲特征：a）最大彎曲高度和b）彎曲曲率半徑。

4.7 LSP在金屬AM中的應用

近年來，AM由於(yu) 能夠生產(chan) 具有複雜幾何形狀的零件而引起了研究界的廣泛關(guan) 注。不過AM金屬存在一些問題，包括較高的孔隙率和拉伸殘餘(yu) 應力。因此，AM金屬通常具有較差的疲勞性能。為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，Hackel等人通過SP和LSP處理樣品，他們(men) 觀察到疲勞性能的顯著改善，如圖26所示。SP和LP後AM試樣的疲勞壽命高於(yu) 未處理AM試樣和鍛造零件的疲勞壽命。請注意，LSP比SP能更有效地改善AM樣品的疲勞性能。這是因為(wei) LSP比LP能產(chan) 生更高的壓縮殘餘(yu) 應力和更深的影響層。這些結果表明，LSP是處理AM金屬的有效方法。

圖26 AM 316L不鏽鋼的疲勞壽命試驗結果與(yu) 應力載荷對比，比較了無缺口AM樣品與(yu) 未著色、噴丸和激光噴丸材料的缺口。

然而，由於(yu) 激光衝(chong) 擊波的影響深度有限，LSP的積極影響僅(jin) 存在於(yu) 上表麵層，無法消除樣品內(nei) 部累積的殘餘(yu) 拉伸應力。因此，提出了3D LSP（3D LSP）的概念，這是一種將SLM與(yu) LSP集成在一起的新型混合AM工藝。也就是說，在SLM過程中，在沉積幾層金屬粉末後引入LSP處理，並且SLM繼續在LSP處理層上進行。之後，再次引入LSP來處理新沉積的層。這個(ge) 循環一直持續到沉積完成。集成SLM-LSP係統的示意圖如圖27所示。通過將LSP集成到SLM工藝中，樣品內(nei) 部有害的拉伸殘餘(yu) 應力可以轉化為(wei) 壓縮殘餘(yu) 應力，部件的疲勞性能可以進一步提高。

圖27結合SLM和LSP的操作係統。

圖28顯示了傳(chuan) 統LSP處理和3D LSP處理後樣品深度殘餘(yu) 應力分布的比較。為(wei) 了研究兩(liang) 種LSP處理之間層數的影響，還比較了具有不同間隔層的樣品的殘餘(yu) 應力分布。可以看到，SLM後，樣品表麵積累了大量的拉伸殘餘(yu) 應力。傳(chuan) 統LSP處理後，拉伸殘餘(yu) 應力轉變為(wei) 壓縮殘餘(yu) 應力。3D LSP處理後，應力值和深度都有所增加，當層數等於(yu) 10時，這種影響更為(wei) 明顯。這表明，與(yu) 傳(chuan) 統LSP相比，3D LSP能更好地將拉伸殘餘(yu) 應力轉化為(wei) 壓縮殘餘(yu) 應力，其效果與(yu) LSP處理層之間的間隔層數量有關(guan) 。

圖28 Ti6Al4V樣品在AB、2D LSP、3D LSP 3 l和3D LSP 10 l條件下的殘餘(yu) 應力分布。注:“AB”為(wei) SLM AB條件下的樣品，“2D LSP”為(wei) 在頂麵上僅(jin) 經過最終LSP處理的樣品(與(yu) 傳(chuan) 統LSP相同)，“3D LSP”為(wei) 實際生產(chan) 的樣品，如圖27所示。3D LSP處理後的樣本結果分為(wei) “3D LSP 3l”和“3D LSP 10l”，表示兩(liang) 個(ge) LSP處理層之間的層數。

除了金屬AM過程中產(chan) 生的拉伸殘餘(yu) 應力外，由於(yu) 加工方向的定向凝固，還會(hui) 產(chan) 生織構，這使得材料各向異性，並會(hui) 降低製造部件的機械性能。Kalentics等人發現，經過3D LSP處理和退火後，樣品的微觀結構從(cong) 柱狀晶體(ti) 變為(wei) 精致的等軸晶體(ti) ，織構減弱（圖29）。因此，這種處理工藝可以大大提高零件的機械性能。

圖29 SLM AB和SLM LSP樣品在1100℃熱處理10 min後的EBSD圖:a) SLM AB樣品的反極圖，b) SLM LSP樣品的EBSD圖。c) SLM AB樣本的局部錯位圖和d) SLM LSP樣本。

與(yu) 用SLM製備的試樣相比，用SLM-LSP處理的試樣的UTS和伸長率都有所提高，這可以用LSP引起的晶粒細化、殘餘(yu) 壓應力和密集位錯來解釋。此外，激光誘導的衝(chong) 擊波可以促進層間的原子交換（圖30），從(cong) 而增加層間結合力，進而改善AM組件的拉伸性能。

圖30層間原子擴散過程的LSP示意圖。a）使用SLM處理的樣本和b）使用SLM-LSP處理的樣本。

總之，我們(men) 可以得出結論，LSP是處理AM金屬的有效方法，當LSP在AM製造過程中集成時，效果更為(wei) 顯著。然而，應當注意，將LSP過程集成到AM過程中將增加AM係統的複雜性。為(wei) 了更好地控製AM金屬的微觀結構和殘餘(yu) 應力狀態，提高其機械性能，需要進行更深入的研究，以找到改善沉積和噴丸過程協調性的方法。

實驗和模型預測的變形形狀：（a）不同預彎條件下形成的試樣；（b）預彎曲半徑667mm下的實驗輪廓；（c）在667mm預彎曲半徑下的模型預測輪廓。

通過實驗和基於(yu) 本征應變的模型，可以得到不同預應力條件下LPF後試樣的變形形狀。上圖顯示了在667 mm預彎曲半徑下樣品的變形形狀輪廓。可以觀察到，方形板被製成凸出平麵的形狀。數值模型預測的形狀與(yu) 實驗結果非常相似。

4.8激光衝(chong) 擊噴丸對陶瓷材料的影響

陶瓷材料具有低密度、高熔點、高硬度、高耐磨性和高抗氧化性等優(you) 點。因此，它們(men) 可以用作結構和功能材料。然而，陶瓷固有的脆性限製了其工業(ye) 應用。SiC和Al2O3等陶瓷在室溫下的塑性極低，導致高裂紋敏感性和低斷裂韌性，從(cong) 而在外部載荷下過早失效。

如前所述，LSP可在金屬材料表麵層上產(chan) 生殘餘(yu) 壓應力。這些應力的存在可以部分抵消外部載荷，從(cong) 而增加裂紋萌生的應力閾值。此外，壓應力可以削弱裂紋尖端的應力強度因子，從(cong) 而抑製裂紋擴展。LSP還可以在陶瓷中產(chan) 生有益的殘餘(yu) 壓應力，LSP後α-SiC陶瓷的微觀結構如圖31所示。從(cong) 這張圖中可以注意到，表麵上有許多缺陷，例如位錯和層錯，表明存在塑性變形。圖32顯示了LSP處理的SiC陶瓷中殘餘(yu) 應力的深度分布。從(cong) 該圖可以看出，LSP後的壓縮殘餘(yu) 應力延伸至約750的深度 μm，最大應力值約為(wei) 800 Mpa。致密的位錯和壓縮殘餘(yu) 應力會(hui) 阻礙位錯的運動，從(cong) 而提高SiC樣品的硬度。LSP處理樣品的硬度測量結果顯示裂紋比未處理樣品短，這意味著LSP處理的陶瓷具有更高的抗裂性和斷裂韌性。

圖31 LSP產(chan) 生的α-SiC陶瓷中位錯的透射電子顯微鏡圖像。

圖32 LSP處理SiC陶瓷的深度殘餘(yu) 應力分布。

總之，LSP不僅(jin) 可以提高陶瓷材料的硬度，還可以提高其斷裂韌性。因此，LSP可以緩解陶瓷材料韌性差的問題，從(cong) 而擴大這些材料的工業(ye) 應用。當然，迄今為(wei) 止，關(guan) 於(yu) 陶瓷材料LSP處理的研究很少。需要進行更深入的研究，以探索LSP處理陶瓷的前景。

4.9激光衝(chong) 擊噴丸對金屬玻璃的影響

金屬玻璃由於(yu) 其特殊的性能（例如，高強度、高硬度、良好的耐腐蝕性和耐磨性），在許多領域都有潛在的用途。然而，金屬玻璃的塑性較差，在室溫下承受外部載荷時，幾乎不會(hui) 發生塑性變形而斷裂。金屬玻璃在不同溫度下的變形機製是不同的。當溫度接近或高於(yu) 玻璃轉變點時，金屬玻璃的塑性變形是通過均勻的粘性流動實現的；當溫度遠低於(yu) 玻璃化轉變點時，它通過剪切帶實現。一旦形成剪切帶，它將在沒有任何約束的情況下迅速膨脹，最終導致脆性斷裂。因此，金屬玻璃在室溫下不具有宏觀塑性。

金屬玻璃的塑性可以通過增加剪切帶的數量來改善，因為(wei) 剪切帶的數量與(yu) 材料的自由體(ti) 積有關(guan) ，這可以增加原子間的距離，降低原子間的鍵合力。因此，在塑性變形過程中，自由體(ti) 積處容易出現應力集中，應力集中的位置可以用作剪切帶的初始形核點。因此，LSP過程中衝(chong) 擊波形成的自由體(ti) 積可以提高金屬玻璃的塑性。

如圖33a所示，經過LSP處理後，Vit1大塊金屬玻璃（BMG）試樣的塑性顯著提高，而不犧牲強度。這種改善源於(yu) LSP後自由體(ti) 積的大幅增加，導致剪切帶數量增加，以及適應塑性變形的能力，這可以通過三點彎曲後Vit1 BMG側(ce) 麵的掃描電子顯微鏡（SEM）顯微照片證實。

圖33 a)鑄態和經LSP處理的Vit1 BMG的三點彎曲法向應力和中點應變曲線;b)經LSP處理的Vit1 BMG截麵上的顯微硬度值。

與(yu) 傳(chuan) 統晶體(ti) 材料不同，LSP處理後金屬玻璃的硬度降低（圖33b），因為(wei) 硬度與(yu) 自由體(ti) 積有關(guan) 。自由體(ti) 積越大，硬度越低。雖然LSP降低了金屬玻璃的硬度，但可以顯著提高其塑性。

5.挑戰和未來方向

盡管LSP在業(ye) 界是一個(ge) 成熟的過程，但它仍然麵臨(lin) 許多挑戰。例如，傳(chuan) 統的LSP處理仍然需要使用黑色膠帶或黑色塗料作為(wei) 吸收層。然而，吸收層的應用和移除非常耗時，大大降低了LSP的整體(ti) 處理效率。因此，開發一種自動部署吸收層的係統將成為(wei) 提高LSP效率的有效手段。此外，還需要一種LSP在線監測技術。在現有技術中，LSP處理後的部件檢查在LSP處理後進行。

LSP處理的有效性取決(jue) 於(yu) 選擇可接受的工藝參數（即激光功率密度、光束大小和重疊比）和適當的掃描策略（即LSP圖案和順序）。與(yu) 工藝參數類似，LSP掃描策略也會(hui) 影響殘餘(yu) 壓應力的大小和分布。LSP掃描策略對於(yu) 幾何形狀複雜的部件也變得更加重要。目前，LSP工藝參數和掃描策略的選擇基於(yu) 有限元模擬和經驗。由於(yu) 對具有複雜幾何形狀的部件進行有限元模擬是一個(ge) 耗時的過程，因此將分析解決(jue) 方案與(yu) 傳(chuan) 統有限元模型集成在一起的LSP模型可能會(hui) 加速該過程。另一種有助於(yu) 選擇LSP工藝參數的方法是建立LSP數據庫，其中包括根據模擬和實驗研究的結果，在不同LSP工藝參數下，各種金屬的深度硬度、深度殘餘(yu) 應力分布、微觀結構變化和疲勞性能增強。該數據庫配有機器學習(xi) 工具，將幫助工程師在日常LSP操作中選擇最佳LSP工藝參數。

LSP的進一步發展還取決(jue) 於(yu) 高能脈衝(chong) 激光器的可用性。目前，高能脈衝(chong) 激光器的成本相對較高，因此有必要開發能夠滿足LSP要求的低成本脈衝(chong) 激光器。光纖傳(chuan) 輸的高能脈衝(chong) 激光器將使LSP與(yu) 當前加工平台的集成成為(wei) 可能，從(cong) 而在單個(ge) 平台上實現金屬零件的加工和噴丸。能夠處理高能激光脈衝(chong) 的光纖傳(chuan) 輸係統的可用性可以顯著擴展LSP處理複雜幾何形狀部件的能力。為(wei) 了實現超快LSP以加速該過程，還需要具有超高脈動的脈衝(chong) 激光器。此外，需要小型便攜式激光器在無法發送到傳(chuan) 統LSP設施的關(guan) 鍵部件（如船上的部件）上實施LSP。

為(wei) 了增強LSP的強化效果，開發了許多創新的LSP工藝，如WLSP、CLSP、EP-LSP和FLSP。雖然這些過程的有效性已經在實驗室得到了證明，但它們(men) 還沒有接近工業(ye) 實施，許多技術挑戰在工業(ye) 使用之前仍有待解決(jue) 。

6結論

本文綜述了LSP工藝，重點介紹了其新的應用和創新工藝的開發。介紹了LSP的基本機理，包括高能脈衝(chong) 激光產(chan) 生的衝(chong) 擊波，以及LSP如何誘導壓縮殘餘(yu) 應力和晶粒細化。接下來，討論了LSP對金屬機械性能（例如強度、硬度、延展性、耐磨性和SCC以及疲勞性能）的影響。詳細介紹了最近基於(yu) LSP開發的創新工藝，包括WLSP、CLSP、EP-LSP、FLSP、LPF和LPwC，以及LSP在新興(xing) 領域（如AM）和材料（陶瓷和金屬玻璃）中的新應用。雖然LSP已經成功地應用於(yu) 處理工程材料的重要應用中，但它的全部潛力及其在更多應用中的應用仍有待實現。盡管許多基於(yu) LSP的工藝創新已在實驗室實現，但尚未實現行業(ye) 規模的實施。成功地大規模應用這項技術需要學術界和工業(ye) 界的研究人員和工程師密切合作。

來源：Recent Developments and Novel Applications of Laser Shock Peening: A Review，Advanced Engineering Materials, doi.org/10.1002/adem.202001216

參考文獻：G. Askar'yan, E. Moroz, Sov. J. Exp. Theor. Phys. 1963, 16, 1638.，A. H.Clauer, metals 2019, 9, 626.