搜索
激光冲击处理及其对金属合金的微观组织和性能的综述摘要本文金属激光冲击处理也被称为激光喷丸（利用调Q大功率激光器）目前的研究和发展水平进行了评论说明。对处理过程中使用不同参数所造成的影响进行了讨论分析。着重讨论了激光喷丸对材料残余应力的影响和对对改善材料疲劳寿命的作用，并且和传统的喷丸处理结果进行了比较。同时也讨论了激光喷丸对材料的微观组织、表面形态、硬度和强度所造成的改变。最后，分析了激光喷丸的应用。分析结果表明，激光喷丸作为一种改善零部件机械性能的手段，有很大的发展前景。1简介在过去的六十年里，喷丸处理一直是在金属表面引入残余压应力和改善金属疲劳寿命所用的最有效和最广泛的方法。喷丸相对来说不贵，并且设备都是实体还可以所需处理区域大小的不同。但是，喷丸也有它自己的局限性，在诱导残余压应力形成的过程中，一半过程是人为可以控制的，而另一半则取取决于金属标是否祛光或其是否为标准式样——称为Almen试样。以此来为喷丸提供一个标准的能量密度。但这种标准并不能保证在零件上喷丸处理区域内的能量密度都一样。第二点，残余压应力所形成的深度受到限制，通常在像铝合金这样的软金属上不会超过0.25mm。在更硬的金属上深度更小。第三点，喷丸处理导致处理表面变粗糙，特别是在像铝这样的软金属上。在零件用于有耐磨需要的工程实际前，表面大粗糙度层材料需要祛除，在祛除过程中，使大部分的残余应力也被去除了，目前有一种表面处理技术叫激光冲击处理（也叫激光喷丸）。这种技术通过使用大功率调Q激光脉冲可以使残余应力层的深度大大加深。脉冲激光束能形成冲击波最初被认识并研究是十九世纪60年代初期。随后的研究建立了增强压力波幅的条件，从而使金属靶可以产生塑性变形。样品的性能有所改善，最初的可行性研究方案即利用激光诱导冲击波来改善材料性能在BattleColumbus实验室进行实施。之后，很多研究机构，特别是法国的科研机构像CLFA、LALP和LULI在这项技术的工业化应用上面花费了很大的心血来研究和开发。经过这些努力，激光喷丸已经可以和传统的喷丸处理一样应用于工业了。这篇论文的目的是对激光冲击处理目前的发展状况作一个整体的概述，并着重突出说明了这项技术的一些工业应用。关于工业化应用这方面，早先一直在一些特定的问题方面进行重点讨论，但没有对这项技术的最佳化进行综合性讨论，而且在材料方面还可以加以利用。2激光冲击波的形成当从调Q激光器中发出的一个激光脉冲的能量密度足够高并且脉冲打到金属表面，这样就形成了冲击波。和氦-氖激光器以及二氧化碳激光器所形成的连续激光束相比，在调Q激光器中，激光脉冲传播到放射性媒介中并形成共振，达到阀值后从激光器中发射出去。这样，调Q激光器可以产生发射GW级的激光束，可以在100ns的时间内产生能量为1~100J的脉冲。而像二氧化碳激光器这样的连续激光器只能发射KW级别的激光束。激光冲击波传播到金属中所引起的塑性变形可以形成残余压应力。由激光产生冲击波的物理现象和物理过程已经被深入细致的研究过。在早期公布的实验中，被照射的金属靶置于真空装置中，激光照射到真空区形成自由膨胀的等离子区。当入射的激光能量密度为0.1GW/2cm到610GW/2cm时，所产生的激光诱导冲击波的压力峰值为1GPa到1TPa。冲击波压力脉冲的持续时间大致和激光脉冲的时间相等，最典型的是50ns，因为激光照射到真空所形成的等离子区快速的绝热冷却至少也要这么久。透明覆盖层层的使用（如图1所示）可以使传播到金属中的冲击波密度值增大到激光照射到真空中所形成等离子区膨胀所产生冲击波的两倍。冲击波密度之所以能增加是因为透明覆盖层层阻止了激光所形成的等离子区迅速从金属表面扩散开。这就使更多的激光能量以冲击波形式传播到金属材料中。对于玻璃激光器，它可以发射波长为1064nm的激光，水、石英和钕玻璃这些透明覆盖层都可以增大冲击波密度。这些透明覆盖层就是所谓的约束层。能吸收激光的涂层的使用在增大冲击波密度的同时还可以保护金属表面不被激光烧蚀和熔融。如果不需要考虑保护工件表面，使用像铝、锌或铜这样的金属涂层和有机涂层是好的。当一个有足够能量密度的激光脉冲照射到一个涂有吸收层的金属靶表面的时候，涂层材料就会蒸发从而形成一个等离子区。因为能量沉淀的时间很短相互作用区域热能量的扩散范围只有几微米而且比吸收层的厚度值要小，因此对表面起到一个保护作用。这对于铝合金来说非常重要，因为金属表面的激光烧蚀对金属的疲劳寿命有很大影响。等离子区会继续强烈的吸收激光能量直到能量沉积结束。在金属靶和约束层的狭小区域内，热化等离子体类似；流体的扩张会产生一个高幅值、短脉宽的压力脉冲。这股能量的一部分以冲击波的形式传播到了金属中。当冲击波的压力值超过材料的动态屈服强度时，金属表面就会发生塑性变形，因而改变了附近表面的微观组织以及性能。这个阀值Psw和金属材料的密度0及弹性声波的传播速度c有关，关系公式为：20Pswc。激光喷丸的典型工艺参数值已经比较详细的校核过并列于表1中。成本、效率、可靠性、维护成本和替换件的可靠性这些都是激光冲击处理系统中所需要考虑的重要因素。激光冲击处理系统需要有10-500J/脉冲的能量输出，脉宽小于100ns。目前，实际中唯一能在可接受脉宽范围内实现这种能量输出的激光系统是调Q激光器系统。它是玻璃激光器和红红宝石激光器系统的一种激光器系统，可在近红外区产生波长为1064nm，脉宽在10-100ns间的脉冲。幸好，这三种波长[1064nm(近红外)、532nm(绿光)或355nm(紫外线)]是最常用和最容易获得的。近红外线波长在水约束层中只有第二小的吸收系数，和金属表面能够充分的相互作用而且具有很大的电击穿阀值。而532nm波长（绿光）虽然有最小的吸收系数，但是从1064nm波长的激光波532nm（绿光）波或355nm（紫外线）波和单晶谐波会减小激光波的能量输出，这和转化过程以及无效的转化有关。尽管金属对光有很强的反射作用，但当保持激光能量密度连续的时候，使激光波长从1064nm逐渐减小到355nm时，可以使光子—金属的相互作用增大，从而可以增强冲击波的形成。然而，这样会使可产生的冲击波压力峰值减小。因为减小波长会使电击穿是所要达到的关键性的能量密度阀值减小，阀值的减小反过来就限制了可获得的压力峰值的大小。电击穿是不处于金属表的等离子体吸收入射的激光脉冲所形成的，它限制了形成冲击波的能量。在图2中，当波长从1064nm减小到532nm时，电击穿阀值从10GW/2cm减小到6GW/2cm，最大压力峰值分别大概为5.5GPa和4.5GPa。LLNL实验室的快速发射调Q钕玻璃激光器最近有所改进，现在可以发射200J的脉冲，脉宽20ns，频率10HZ。这个发射频率比目前的商用系统快20倍。如果这个系统的花费和可靠性在商业应用上可以接受的话，那么这个LLNL激光器系统会使激光冲击处理的以后比现在更经济和更具有吸引力。还应当指出的是：准分子气体激光器目前可以发射脉宽为几十个微秒的脉冲，频率要高于10HZ。频率为10HZ的激光脉冲可以快速对零部件的多个区域进行激光喷丸，但由于目前每脉冲输出的能量较小，导致激光光斑较小而且能量越小光斑越小，从而限制了这项技术的应用。在将来，这些激光器或者可以克服目前激光冲击处理中诸如低效率和波长的限制等问题。3激光冲击处理诱导产生的残余应力的特性在一个典型的激光冲击处理实验中，金属表面有吸收层和约束层，单轴向压应力会沿冲击波方向产生。当冲击波传播到金属靶中，塑性变形会一直发生直到在某一深度层的冲击波峰值压力不再超过HEL。根据Johnson和Rhode的结论，金属的HEL与它的动态屈服强度有关，即：112dynyvHELv（1）v是泊松比，dyny是在张紧高应变率下的屈服强度。大部分的研究都集中于对大量的工业用材料进行各种不同的激光冲击处理所形成的实验表面和额所形成的残余压应力的研究。这些工业用材料都包括：铝合金、钢、钛合金。残余应力的测量常用两种方法。一种是无损检测法，这种方法通过x射线衍射2sin方法来分析激光处理过的表面。另一种用来测量残余应力深度和大小的方法是增加孔张紧标准玫瑰花形检测法，它是在金属上标准玫瑰花形之间钻一个直径为1—3mm的孔。当金属上钻出孔的时候，应力分布发生的变化就可以在玫瑰花形上反映出来，从这个数据就可以计算出是距表层深度的函数的残余压应力。用实验的方法测量激光冲击强化后材料表面的残余压应力分布，表明在冲击区的横截面上残余压应力相对地是均匀双轴向平面分布，表面的残余压应力为最大，随着距表面深度的增加，残余压应力逐渐减小。图3所示为2024—T3铝合金在激光冲击强化后残余应力的典型深度线图，可以看出，残余压应力的深度要超过1mm。3.1残余应力的弹塑性模型激光诱导塑性变形的基础力学模型和冲击波应力有关，它和产生的残余应力都很难分析解释，因为冲击波前沿是不连续的而且应力系统是三维的。传统的冲击波是通过爆炸物来形成大的平面冲击波，从而可以在一个平面中来分析，大大简化了分析过程。早期对冲击波的传播行为和力学模型的一种分析解释是使用流体动力冲击波规范并且把预测结果和腐蚀后的样品进行比较。计算结果很难和实验结果相符。为了能使用分析传统爆炸驱动冲击波的方法来分析，研究人员使用了大功率激光器来使铝和铜片发生核碎裂。然后，把这些实验结果和那些一、二维电脑分析软件所得出的合理并符合分析的结果进行比较。对于激光冲击处理中冲击波传播到敏感弹性的塑性金属所形成的标面残余应力，已经建立了一个更详细的弹塑性分析模型来用于计算它。在大的平面冲击波的条件下，允许使用一维冲击波假设并且这种假设可以避免边缘效应。认为冲击波形成的变形是单轴向并且是平面的。认为压力脉冲在空间是均匀的，并且材料服从VonMises屈服标准。所使用的分析方法、特点的分析方法都是基于文献得来的而且假设冲击波的卸载是弹性的。认为所使用的计算机技术是传统经典的，它需要用线性逻辑来演算，并且最终只给出运算结果。模型指出，冲击过程中所发生的塑性变形在1xHEL与2xHEL间呈线性增长。超过2xHEL，塑性变形达到一个最大极限值并且当超过2.5HEL时，会出现表面释放波而且表面会从冲击区边缘开始增强，从而改变了残余压应力区（不考虑冲击区形状是圆形还是方形）。塑性变形影响深度pL，表层最大残余应力surf的计算公式Ballard等人已经得出。1111eppepCCLCC(2)111142[1(1)]2(1)2epsurfepCCPvrCCu(3)1eC是弹性冲击波的速度，1pC是塑性冲击波的速度，是压力脉冲宽度，和u是金属靶的弹性Lame常量，pL是塑性变形影响深度，r是冲击半径。这两个等式只有在冲击波压力P值高于材料的HEL两倍时才可用。Braisted和Brockman最先使用有限元分析法来分析和预测激光冲击波所形成的残余应力。有些问题的理论已经与刊登的实验结果相符，主要是由于释放波影响了光斑中心的应力。Ding等人也曾用FEM方法单束和多束激光所形成冲击波对35CD4钢的影响。ABAQUS/ExplicitFEM软件曾被用来模拟冲击波的传播过程并且还曾利用这个软件来计算最后所形成的残余应力。残余应力是在二维平面内计算，可利用激光光斑的圆对称性来简化分析计算。ABAQUS/Explicit是一个非线性的弹—塑性明显的时间积分FEM软件，特别适用于那些需要高级解析方法的高速动态实验。发现这些模拟结果和实验测得的残余应力值相当吻合。3.2残余应力和吸收层在没有约束层的激光处理中，激光所形成的等离子区吸收激光能量并且从金属表面迅速的扩散开来。因而被吸收的激光不能够有效地转变成压力脉冲，因此，冲击波就无法有效的在金属表层形成参与压应力。例如，当用激光冲击一个没有约束层的Hadfield试样，试样表面只有很小的残余压应力。当能量为1GW/2cm是这样，甚至当能量密度高达2.4TW/2cm时，情况也是如此。在第二部分已经讨论过，在典型的激光处理中，吸收层可以用来保护金属表层不