摘要

本文綜述了近年來溫激光沖擊強化技術(shù)及相關(guān)激光加工技術(shù)的研究進展。詳細討論了WLSP的工藝設(shè)計、增強的機械性能和組織演變。通過建立加工-組織-性能關(guān)系，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(xué)，研究了工藝參數(shù)對納米級析出物形核的影響，并總結(jié)了多尺度離散位錯動力學(xué)(MDDD)模擬結(jié)果，研究了位錯的增殖和傳播行為以及位錯釘扎效應(yīng)。此外，綜述了熱工程激光沖擊強化技術(shù)(TE-LSP)的研究進展，重點介紹了熱工程激光沖擊強化技術(shù)的析出相粗化、疲勞壽命延長以及基本的工藝機理。

1. 介紹

激光沖擊噴丸(Laser shock peening, LSP)是一種有效的激光表面處理技術(shù)，用于對金屬材料進行表面處理，以提高金屬材料的表面強度，改善耐磨性和耐腐蝕性，延長疲勞壽命。這些優(yōu)異的機械性能主要歸功于激光誘導(dǎo)的表面殘余壓應(yīng)力和加工硬化層。與其他用于提高疲勞性能的塑性變形工藝，如噴丸強化(SP)和超聲波沖擊強化(UIP)相比，LSP具有以下優(yōu)點: (1)壓縮或拉伸超載; (2)加工復(fù)雜幾何形狀零件的能力;(3)精確控制脈沖激光能量的能力;(4)由于燒蝕涂層的存在，目標(biāo)表面基本沒有損傷。因此，LSP在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。

盡管有這些優(yōu)點，但LSP的效率主要受到一個主要挑戰(zhàn)的限制:在機械加載或熱加熱過程中，殘余壓應(yīng)力和加工硬化層容易出現(xiàn)松弛。即使在發(fā)動機溫度適中的情況下，也可在不到10分鐘的時間內(nèi)減輕一半的初始壓應(yīng)力。三種機制是殘余應(yīng)力松弛的主要原因:(1)壓縮或拉伸超載;(2)循環(huán)加載接近或高于極限疲勞;(3)暴露于熱循環(huán)中。從物理冶金學(xué)的角度來看，應(yīng)力弛豫是通過位錯的傳播和增殖與組織重排相關(guān)聯(lián)的。因此，為了提高激光強化的工藝效率和效果，開發(fā)新型的激光強化工藝來提高殘余壓應(yīng)力的穩(wěn)定性顯得尤為重要。

噴丸前和噴丸后裂紋形狀的比較。

上圖給出了噴丸前后貫穿管壁的主應(yīng)力腐蝕裂紋形狀示意圖。噴丸前拉管的裂紋形狀為半橢圓形，裂紋長度在管壁內(nèi)表面最大，在管壁內(nèi)減小。這種形狀類似于在沒有kiss輥的情況下，在液壓膨脹管上觀察到的(Stubbe,1996, KAERI, 1992)。對于噴丸后產(chǎn)生的裂紋，管壁內(nèi)表面裂紋長度比管壁內(nèi)裂紋長度短0.1-0.7 mm左右。裂紋的最大長度約為管壁厚的四分之一。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;所有裂紋均為軸向或略向管軸傾斜。

WLSP是一種集LSP、動態(tài)應(yīng)變時效(DSA)和動態(tài)沉淀(DP)優(yōu)點于一體的熱機械表面處理技術(shù)，具有獨特的、高穩(wěn)定性的顯微組織。DSA作為一種強化機制，通過移動位錯與擴散溶質(zhì)原子的相互作用促進位錯的增殖。這導(dǎo)致更均勻和高密度的位錯結(jié)構(gòu)。DP又稱應(yīng)變誘導(dǎo)析出，是變形過程中導(dǎo)致析出相形核的一種熱-機械析出效應(yīng)。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(dǎo)的納米析出相可以通過位錯與析出相之間的彈性相互作用抑制附近位錯的運動，即位錯釘扎效應(yīng)。這種釘扎效應(yīng)是提高殘余應(yīng)力和微觀組織穩(wěn)定性的主要因素。從而進一步提高了金屬材料的力學(xué)性能。

在WLSP過程中，dp誘導(dǎo)的納米顆粒粒徑一般為5 ~ 10nm。這是由與激光脈沖持續(xù)時間相關(guān)的短DP時間(在納秒量級)決定的。位錯釘扎強度受析出相尺寸、數(shù)密度、粒子間距和體積分數(shù)等參數(shù)的影響。為了優(yōu)化位錯釘扎強度，熱工程激光沖擊強化技術(shù)(TE-LSP)得到了進一步的發(fā)展，通過將析出相動力學(xué)從形核階段擴展到粗化階段，來調(diào)整析出相參數(shù)，進一步提高金屬材料的疲勞性能。

本文從工藝設(shè)計、機械性能的提高和顯微組織的演變等方面對激光激光強化技術(shù)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(guān)系，探討了工藝機理。本文的研究成果可為激光加工和/或熱機械加工技術(shù)的設(shè)計提供重要的見解和指導(dǎo)。

2. 溫激光沖擊噴丸

2．1．流程設(shè)計

圖1為WLSP實驗設(shè)置示意圖。在WLSP過程中，將目標(biāo)材料加熱到一定的加工溫度?？梢圆捎枚喾N加熱方法來提供熱能。在目標(biāo)樣品的上表面放置一層燒蝕涂層材料，以吸收激光能量，并保護樣品表面不受任何不必要的損傷。當(dāng)聚焦脈沖激光能量到達樣品表面時，燒蝕涂層被汽化和電離，形成激光誘導(dǎo)的等離子體。激光誘導(dǎo)等離子體的水動力膨脹受到置于燒蝕涂層之上的透明約束介質(zhì)的限制。從而產(chǎn)生激光誘導(dǎo)的沖擊波并傳播到目標(biāo)材料中，產(chǎn)生有益的塑性變形。在實驗裝置上，可以選用多種材料作為燒蝕涂層，如鋁箔、黑膠帶、石墨等，而透明的限制介質(zhì)可選用玻璃、水、硅油等。與傳統(tǒng)的激光LSP過程相似，調(diào)q Nd-YAG納秒脈沖激光系統(tǒng)是可行的。

圖1 WLSP實驗設(shè)置示意圖。

在WLSP實驗中，激光功率強度和加工溫度是工藝優(yōu)化的兩個最關(guān)鍵的工藝參數(shù)。激光功率強度越高，殘余壓應(yīng)力的大小越大，當(dāng)激光強度達到一定水平時，殘余壓應(yīng)力會達到一個飽和點。WLSP處理溫度應(yīng)足夠高，以實現(xiàn)有效的DA效應(yīng)，但又不能過高，導(dǎo)致熱松弛和組織重排。此外，還需要對激光加工參數(shù)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

表面強度的增強是WLSP后產(chǎn)生的最重要的有利表面特性之一。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。從圖2中可以看出，與LSP試樣相比，WLSP試樣的表面強度更大。例如，在2 GW/cm2的激光強度下，160℃(130 VHN) WLSP處理的AA6061試樣的表面硬度比LSP (102 VHN)高27.5%;當(dāng)激光強度為4 GW/cm2時，與LSP相比，WLSP使AISI 4140的表面硬度從385提高到421VHN，提高了9.4%。這種表面硬化現(xiàn)象既歸因于通過表面塑性變形產(chǎn)生的應(yīng)變硬化效應(yīng)，也歸因于通過第二相納米析出物產(chǎn)生的沉淀硬化效應(yīng)。由于表面硬度測試相對于其他力學(xué)測試方法更容易進行，因此通常采用硬度測試來指導(dǎo)WLSP參數(shù)優(yōu)化。

圖2 通過WLSP提高表面強度:(a)鋁合金6061 (AA6061)， (b)鋁合金7075 (AA7075)， (c) AISI 4140鋼，(d)經(jīng)批準(zhǔn)采用的AISI 1042鋼

除表面強度外，殘余壓應(yīng)力穩(wěn)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后壓縮殘余應(yīng)力循環(huán)穩(wěn)定性的提高。如圖3a所示，經(jīng)過wlsp處理的試樣比經(jīng)過lsp處理的試樣具有更高的殘余應(yīng)力循環(huán)穩(wěn)定性，特別是在高循環(huán)區(qū)域。例如，LSP AA6061試樣在20萬次循環(huán)加載后殘余應(yīng)力值下降了38%，而WLSP試樣僅下降了23%。

圖3 通過WLSP (a) AA6061和(b) AISI 4140提高了殘余壓應(yīng)力的循環(huán)穩(wěn)定性。

綜上所述，激光誘導(dǎo)殘余壓應(yīng)力的大小和深度，以及殘余壓應(yīng)力的穩(wěn)定性對金屬材料的疲勞性能的決定起著至關(guān)重要的作用。圖4為WLSP后的疲勞壽命延長情況。與LSP相比，經(jīng)過100萬次加載循環(huán)后，WLSP可以進一步提高AA6061的疲勞強度，從180 MPa提高到200 MPa(圖4a)。對鋁合金而言，高周區(qū)疲勞性能的改善比低周區(qū)更為顯著。對于碳鋼4140，從圖4b的應(yīng)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。對于Ti6Al4V鈦合金，如圖4c所示，在100-300℃時，WLSP試樣的疲勞性能要優(yōu)于室溫LSP試樣，但當(dāng)WLSP處理溫度達到400℃時，出現(xiàn)了明顯的疲勞壽命劣化現(xiàn)象。

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

值得關(guān)注的是，Ye和同事最近報道，與室溫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557 MPa，高于LSP試樣的421 MPa，但延性保持在同一水平。這可以解釋為，WLSP樣品中的位錯密度低于LSP樣品，為位錯堆積留下了更多的空間。此外，由于WLSP產(chǎn)生的沉淀引起的位錯釘扎效應(yīng)，抑制了WLSP樣品中位錯的動態(tài)恢復(fù)，提高了位錯的積累能力，從而提高了材料的延性。

圖5 WLSP為AA7075的高強度和延性結(jié)合。

2.3 WLSP誘導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)演變

為進一步了解復(fù)合材料的機械性能，采用透射電子顯微鏡(TEM)研究復(fù)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后的顯微組織。如圖6a和b所示，LSP產(chǎn)生位錯堆積，也稱為剪切帶，而在WLSP樣品中觀察到更多分布均勻的糾纏位錯結(jié)構(gòu)。這是由于wlsp誘導(dǎo)的DSA效應(yīng)，導(dǎo)致位錯增殖和位錯/位錯相互作用，從而形成高度糾纏的位錯結(jié)構(gòu)。在光散射過程中，熱和機械能的結(jié)合促進了碳原子的擴散，導(dǎo)致位錯核附近碳原子濃度較高。這些位錯芯為納米沉淀的產(chǎn)生提供了潛在的形核位點。在衍射圖中選擇一個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。為了更好地觀察析出相，在衍射圖中選擇與析出相相關(guān)聯(lián)的衍射點，拍攝TEM圖像(如圖6d所示)。在DA效應(yīng)的作用下，WLSP產(chǎn)生了高密度的球狀納米顆粒，粒徑約為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(jié)構(gòu)，(c) WLSP樣品中的位錯與沉淀物的糾纏(主要衍射點的暗場圖像)，(d) WLSP產(chǎn)生的球狀沉淀物(與沉淀物相關(guān)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系。WLSP過程中鋁合金微觀組織演變的TEM圖像如圖7所示。為了研究激光噴丸效果,AA6061是均相的微觀結(jié)構(gòu)在激光加工解決方案治療,以及由此產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)的太陽能發(fā)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樣品由于DA效果(圖7 b),LSP樣品中未觀察到第二相粒子。為了更好地觀察析出相的結(jié)構(gòu)，選擇與析出相相關(guān)聯(lián)的弱衍射斑來拍攝暗場圖像(圖7c)。從圖7c中可以看出，T6靜態(tài)時效產(chǎn)生了較大的棒狀顆粒，而WLSP通過DA生成了較小的粒徑約為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。從圖7d中可以看出，納米沉淀物在頂表面的體積分數(shù)(19.5%)遠遠高于400 μm以下的納米沉淀物體積分數(shù)(9.7%)。這是由于WLSP引入的塑性應(yīng)變梯度特性。

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

2．4．過程機制

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(guān)系，科學(xué)地研究基本的工藝機理尤為重要。

2.4.1 工藝與組織的關(guān)系

在WLSP工藝中，最重要的工藝參數(shù)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。為了建立工藝和微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，應(yīng)回答以下基本問題:WLSP過程中析出相的形核機制是什么，加工溫度和激光參數(shù)對形核過程的影響是什么，應(yīng)變硬化和納米析出相的存在共同作用下是如何產(chǎn)生高密度、分布均勻的位錯結(jié)構(gòu)的。

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

基于峰值沖擊波壓力、塑性應(yīng)變和應(yīng)變速率等信息，提出了用擴展力學(xué)閾值應(yīng)力(MTS)模型估計峰值沖擊波后的流動應(yīng)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(yīng)，適用于大于105/s的超高應(yīng)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(shù)據(jù)和建模結(jié)果。從圖8a中可以看出，模擬和實驗結(jié)果都表明，在160℃下，LSP后的成核密度達到了104/μm3的水平，而在室溫下，LSP產(chǎn)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)有納米沉淀物的MDDD計算單元中位錯結(jié)構(gòu)的時間演化，(c)無納米沉淀物的MDDD計算單元中位錯結(jié)構(gòu)的時間演化。

為了研究WLSP過程中位錯的增殖和傳播行為，采用多尺度離散位錯動力學(xué)(MDDD)模擬了WLSP過程。與分子動力學(xué)(MD)模擬和蒙特卡羅(MC)模擬相比，MDDD模擬更適合于激光噴丸過程的模擬，因為MDDD具有較大的計算量和較長的計算時間。為了模擬WLSP過程，在MDDD計算單元中初始化不同長度的Frank-Read位錯源，并在計算單元中插入作為位錯移動障礙的frank -固位環(huán)來模擬納米沉淀。在MDDD程序中，通過控制塑性變形應(yīng)變速率來考慮激光噴丸的激光強度效應(yīng)，通過調(diào)節(jié)材料常數(shù)和位錯遷移率來考慮激光噴丸的加工溫度。從圖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(qū)。模擬結(jié)果與TEM觀測結(jié)果吻合較好。其獨特的微觀組織演化行為是由于DSA和DA效應(yīng)以及位錯與析出相相互作用產(chǎn)生的位錯釘扎效應(yīng)。

2.4.2 微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系

在激光強化過程中，位錯釘扎效應(yīng)是提高表面強度、提高殘余應(yīng)力穩(wěn)定性、延長疲勞壽命的主要原因。為了研究組織與性能之間的關(guān)系，采用MDDD系統(tǒng)模擬了位錯釘扎效應(yīng)，并考慮了顆粒體積密度、顆粒尺寸和顆粒間距效應(yīng)。如圖9所示，模擬AA6061的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，顆粒體積密度越大，顆粒尺寸越大，位錯釘扎強度越大。在顆粒體積分數(shù)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(yīng)(圖9c)。從圖9c中可以看出，位錯釘扎效應(yīng)主要受顆粒密度效應(yīng)而不是尺寸效應(yīng)的影響。圖9的模擬結(jié)果為WLSP的過程機制提供了有力的證據(jù):WLSP過程中位錯與納米析出相相互作用引起的位錯釘扎效應(yīng)是提高金屬材料機械性能的基礎(chǔ)。

圖9 對AA6061的WLSP進行MDDD模擬，得到了(a)體積密度、(b)尺寸和(c)顆粒間距對位錯釘扎效應(yīng)的影響。

3.熱工程激光沖擊強化

在WLSP之后，即使由于DA效應(yīng)產(chǎn)生了高密度的納米沉淀物，由于DA時間短(納秒量級)，通常粒徑僅為5 - 10nm。受圖9中MDDD模擬結(jié)果的激勵，通過將析出動力學(xué)從形核階段擴展到粗化階段，優(yōu)化顆粒參數(shù)(尺寸、密度和顆粒間間距)，進一步提高位錯釘扎強度具有很大的潛力。因此，最近提出了熱工程激光沖擊強化技術(shù)(TE-LSP)來優(yōu)化材料的微觀結(jié)構(gòu)，進一步提高熱機械激光沖擊強化工藝的效果和效率。TE-LSP結(jié)合了WLSP和以下熱處理工藝，綜合了LSP、DA、DSA和靜態(tài)老化(SA)的優(yōu)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與隨后的SA加熱工藝相結(jié)合可以提高位錯釘扎強度，從而進一步延長疲勞壽命的假設(shè)。為獲得優(yōu)化的疲勞壽命，對激光噴丸強度、WLSP溫度、后加熱時間和溫度4個工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。

圖10總結(jié)了TE-LSP[43]處理后AISI 4140的機械性能增強情況。對于450℃的沖擊后回火處理(圖10a)，與WLSP相比，經(jīng)過2 h的沖擊后回火處理，其峰值表面強度提高了28%，表面硬度從360 vhn提高到461VHN。由于過時效效應(yīng)，沖擊后回火時間越長，軟化效應(yīng)越明顯。對于350℃的沖擊后回火，需要較長的回火時間才能達到峰值強度，而對于550℃的沖擊后回火，由于動態(tài)恢復(fù)效應(yīng)，回火過程中硬度急劇下降。

圖10 除表面強度外，沖擊后2 h回火試樣的殘余壓應(yīng)力具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性，如圖10b所示。例如，在100 k循環(huán)加載后，回火2 h試樣的殘余應(yīng)力僅松弛21.6%，而WLSP試樣的殘余應(yīng)力則下降了44%。這提高了表面強度和殘余應(yīng)力穩(wěn)定性，有助于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，較長的沖擊后回火時間導(dǎo)致疲勞強度的下降。

為了探索TE-LSP過程中沖擊后加熱效應(yīng)的基本機理，利用TEM研究了TE-LSP過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變。圖11a和b是暗場TEM圖像，通過從衍射圖中選擇沉淀相關(guān)衍射點，僅顯示AISI 4140中的沉淀結(jié)。結(jié)果表明，經(jīng)過2h的沖擊回火后，粗化效應(yīng)導(dǎo)致形成直徑為40-50nm的析出物，顆粒密度保持在較高水平。然而，經(jīng)過6h的沖擊回火后，平均粒徑增大到約100nm，但發(fā)現(xiàn)顆粒密度顯著下降。在經(jīng)TE-LSP處理的AA6061中也觀察到類似現(xiàn)象（圖11c和d）。

圖11 顯示TE-LSP過程中沉淀粗化的TEM圖像：（a）沖擊后2小時回火的AISI 4140樣品，（b）沖擊后6小時回火的AISI樣品，（c）沖擊后1小時時效的AA6061樣品，以及（d）經(jīng)批準(zhǔn)采用的沖擊后4小時時效的AA6061樣品。

如前所述，位錯釘扎強度受顆粒大小、密度和顆粒間距的影響很大。在后沖擊加熱過程中，析出物的粗化動力學(xué)導(dǎo)致粒度、密度和顆粒間距之間的平衡。

即使WLSP和相關(guān)激光加工技術(shù)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趣和重要性。特別是，未來的研究目標(biāo)包括：建立完整的基于物理的過程模擬和材料模型，以實現(xiàn)這些激光技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)除疲勞性能之外的其他增強機械性能，基于對WLSP機理的了解，進一步開發(fā)新的激光加工工藝。

4.結(jié)論

本文綜述了近年來WLSP及其相關(guān)激光加工技術(shù)的研究進展，重點介紹了其工藝設(shè)計、增強的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)演變。通過建立過程、微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，特別是沉淀動力學(xué)和位錯釘扎效應(yīng)之間的關(guān)系，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其他新型激光加工工藝和/或熱機械工藝設(shè)計提供見解和指導(dǎo)。