（光学专业论文）激光冲击处理技术研究.pdf

摘要 i 激光冲击处理( l a s e rs h o c kp r o c e s s i n g ，简称l s p ) 技术是以高功率短脉冲激光 辐照金属材料，由材料表面物质的迅速汽化形成高温高压等离子体，因其膨胀爆破 而产生高压冲击波在材料内部传播，并使材料表面产生塑变冲击强化层，从而达到 改善金属材料机械性能的一种新型表面改性处理技术。它具有一系列独特的优点和 广泛的应用前景。 _ 一、，。一 本论文详尽地阐述了激光冲击处理的全过程。包括激光诱导冲击波的产生机制 和冲击波与金属材料的相互作用过程。系统分析了入射激光参数与冲击波的关系和 涂层、约束介质、垫具、以及激光脉冲的峰值功率、脉宽时间特性、光斑形状等因 素对冲击效果的影响，为冲击强化激光器的设计和冲击条件的优化奠定了基础。 本研究以实际的工业( 尤其是航空工业) 应用为目标，分析了激光冲击处理对 激光器的实际要求，研制出激光冲击处理的专用激光器，并对其的主要性能进行了， 测试实验。 最后，依此实验装置，运用p v d f 传感器测量了铝或铜材料中的激光诱导冲击 厂 波的压力，获得了比较理想的冲击波压力和动量的时间演化波形。f 通过测量一些在 航空工业中广泛使用的受冲击合金工件的表面硬度、塑性变形层深度、表面残余应 力，疲劳寿命等机械性能，并综合微观组织结构分析，验证了此激光冲击处理装置 、 对诸多金属材料表面性能的改善作用。卜一一、一 关键词：激光冲击处理，高功率激光脉冲，p v d f 传感器微观硬度 塑性变形，表面残余应力，疲劳寿命 a b s t r a c t a san e ws u r f a c es t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g y , l a s e rs h o c kp r o c e s s i n g ( l s p ) u t i l i z e sas h o r ti n t e n s e l a s e rp u l s eo n t oam e t a l l i ct a r g e t ，w h i c hm a k e st h em a t e r i a ls u r f a c e ( a b s o r p t i v ec o a t i n gl a y e r ) g a s i f i e da n di o n i z e da n dt h e ng e n e r a t e sah i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ep i a s m a w h e nt h ep i a s m a b l o w su pa n dp r o d u c e sa ni n t e n s es h o c kw a v et ot r a n s f e rw i t h i nt h et a r g e t ，p l a s t i cs t r a i ni nt h e m e t a l l i cp a r ti si n d u c e da n dt h es u r f a c em e c h a n i cp r o p e r t i e sa mi m p r o v e d l s ph a sas e r i e so f s p e c i a la d v a n t a g e sa n dw i d ea p p l i c a t i o no u t l o o k t h i sr e s e a r c hi t e ma i m sa tt h ea p p l i c a t i o no fl s p i nt h ep r a c t i c a li n d u s t r y ( e s p e c i a l l ya v i a t i o ni n d u s t r y ) i nt h i sa r t i c l e ，t h ec o m p l e t el s pc o u r s e sa r ee x p a t i a t e do n ，i n c l u d i n gt h eg e n e r a t i n gf u n c t i o n o f l a s e r - i n d u c e ds h o c kw a v ea n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns h o c kw a v ea n dm e t a lm a t e r i a l s s y s t e m a t i c a l l yt h i st h e s i sa l s oa n a l y z e st h er e i a t i o nb e t w e e nt h ei n c i d e n tl a s e rp a r a m e t e r sa n dt h e s h o c kw a v e ，a n dt h ee f f e c to fa b s o r p t i v ec o a t i n gl a y e r , c o n f i n i n gm e d i u m ，a n v i ld e v i c e ，t h ep e a k i n t e n s i t ya n dw i d t ha n dt e m p o r a lp r o p e r t yo fl a s e rp u l s e ，l a s e rs p o ts h a p ee ta 1 o nl s p i ti st h e b a s i sf o rt h ed e s i g no f l s pl a s e ra n de x p e r i m e n t a ls t u d i e sa n dl s pc o n d i t i o no p t i m i z a t i o n t h i sr e s e a r c ha i m sa tt h ea p p l i c a t i o no f l s pi nt h ep r a c t i c a li n d u s t r y ( e s p e c i a l l ya v i a t i o ni n d u s t r y ) a n da n a l y z e st h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t sf o rl s pl a s e r as p e c i a li a s e ri sd e v e i o p e da n di t sm a j o r b e h a v i o r sa r ea l s ot e s t e d l a s t l y , t h et e m p o r a le v o l u t i o no ft h el a s e r - i n d u c e ds h o c kw a v ep r e s s u r ea n dm o m e n t u mi n a l u m i n u m ，c o p p e re ta 1 i so b t a i n e db yu s i n gp v d fg a u g ea n do u rs e l f - m a d el s pl a s e r s o m ea l l o y s u s e dw i d e l yi na e r o n a u t i c sw e r es h o c k e da n dt h ee f f e c to f l s po nt h es u r f a c em i c r o s t r u c t u r e ( i n t e n s e d i s l o c a t i o n ，t w i n n i n ga n dv a i nr e f i n e m e n te ta 1 ) a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ( s u r f a c ec o m p r e s s i v e r e s i d u a ls t r e s s ，m i c r o h a r d n e s sa n df a t i g u el i f ee ta 1 ) w a ss t u d i e d a l lt h e s ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v e v e r i f i e do u ra n a l y t i c a lr e s u i tt h a tl s pc a ni m p r o v et h es u r f a c ep r o p e r i e so f s o m em e t a lm a t e r i a l s k e yw o r d ：l a s e rs h o c kp r o c e s s i n g ，h i g i li n t e n s i t yl a s e rp u l s e ，p v d fg a u g e ，m i c r o h a r d n e s s ， p l a s t i cs t r a i n ，s u r f a c er e s i d u a ls t i s s ，f a t i g u ei i f e 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 激光冲击处理( l a s e rs h o c kp r o c e s s i n g ，简称l s p ) 技术是以高功率脉冲激光辐 照金属材料，使材料表面( 表面涂层) 迅速汽化并形成等离子体，其膨胀爆破引起 高压冲击波向材料内部传播，在材料表层产生塑性变形，形成冲击强化层，从而使 金属材料的机械性能获得改善的一种新型表面改性处理技术1 1 8 。4 。7 6 2 1 。根据其效应 或侧重点的不同，有时也称作激光冲击强化( l a s e rs h o c ks t r e n g t h e n i n g ) 、激光冲击 硬化( l a s e rs h o c kh a r d e n i n g ) 【1 2 2 4 1 或形象称作激光冲击喷丸( l a s e rp e e n ，l a s e rs h o t p e e n i n g ) 【3 8 1 。 激光冲击处理要求激光脉冲峰值功率密度达到g w c m 2 0 0 9 w c m 2 ) ，脉宽一般为几 到几十纳秒。产生的高压冲击波达g p a 量级。如此的高压冲击波超过金属材料的动 态屈服强度时，材料表层可产生塑性变形，并导致大量位错等晶体缺陷的形成，这 些位错互相纠缠，从而改善了金属表层的硬度，强度等机械性能，大幅度提高金属 材料的疲劳寿命。 激光冲击强化区别于激光热处理( l a s e rh e a tp r o c e s s i n g ) ，后者是利用激光的热 效应，在金属表面形成极薄的相变层，使其各种性能( 包括机械性能) 得到改善， 达到硬化材料的目的，故也常称作激光硬化( l a s e rh a r d e n i n g ) 。 激光冲击处理研究属于激光与物质相互作用的范畴。在不同的激光条件下，物 质对激光有不同的反应，因此形成了各种各样的激光加工技术( 图i - i ) 。当激光脉 宽较长( m s 级s 级) ，功率密度较低( 约1 0 5 w c m 2 ) 时，材料对激光的响应往往 表现为热相变、热烧灼、熔融和汽化穿孔等现象。即使1 0 2 1 0 3 w c m 2 的功率密度， 材料的局部温升也会使其微观和宏观力学性能发生明显变化。实际的激光冲击处理 需要g w c m 2 的激光功率密度，是目前激光加工领域中唯一采用短脉冲高功率激光进 行材料处理的一项技术。在激光冲击过程中伴随着各种复杂的效应，除主要的冲击 中国科学技术大学硕士学位论文 动力学效应外，其热效应也是不可避免的。虽然热效应也能改变某些材料的硬度， 但冲击过程中金属熔液的四处喷射和其表面的热烧灼等对材料的改性处理非常有 害，而使用吸收涂层可将热效应几乎降为零。本论文以后的处理，如无特别申明， 都忽略热效应。 激光冲击处理的能量源是激光脉冲诱导的冲击波，是基于冲击波的一种光力学 效应。可对无法进行相变硬化处理( 即热处理) 和相变硬化处理不显著的材料( 如 铝合金等) 进行激光表面改性处理。 目前，孔冷挤压和喷丸强化等技术已成为一种成熟的表面强化处理手段，其在 国内外航空制造业、汽车制造业中得到广泛应用，并取得了广泛的经济效益。但这 些强化技术均有一定的局限性。冷积压只适合对一般规格的孔进行强化处理，而对 于小i l 、焊缝和盲孔等常见的应力集中部位则不能实施挤压处理。喷丸技术也由于 通路和可达性的困难，其应用受到很大限制。 激光冲击强化技术作为一种先进的激光表面处理工艺，具有如下的突出优点： 1 1 短脉冲激光作为高密度能源，其加热与冷却速度快，其热影响区域小，能 有效保护受冲击的工件。因激光脉冲的大部分能量被等离子体的形成和打 开界面做功所消耗，只有小部分能量传递到金属表面，宏观上材料表面温 度仅达2 0 0 0 c 左右，并且仅能保持几分之一秒。因此，激光冲击处理中工 件一般不会因为热效应而发生显著的微观组织变化。 2 1 激光冲击处理可获得特别高的冲击压力，产生很深的强化层。激光冲击处 理往往在几十纳秒的持续时间内，在材料表面产生高达几g p a 的压力，并 将传播至相当的深度，引起塑性变形层，达到高厚度强化的目的。 3 ) 激光冲击处理具有可叠加性。材料的多次冲击不仅可提高强化效果，而且 可增大强化区域，实现大面积的强化处理。另外，多次冲击可对首次冲击 的效果进行修补，提高处理的可信度。实验还发现，激光冲击处理可对经 2 主垦型堂垫查查堂堡主堂焦堡奎 普通热处理后工件存在的“软点”进行补充硬化处理，这使得激光冲击处 理技术可和其他强化技术一起配合使用。 4 1 激光冲击处理是一种非接触强化技术，无机械损伤。处理后材料表面的光 洁度甚至会有提高，并且是一种无渗入和沉积污染( i n c l u s i o na n dd e p o s i t i o n p o l l u t i o n ) 的清洁型加工工艺。这特别适合于那些对表面质量要求较高的工 件的精加工处理。 5 ) 激光便于聚焦和传播，可对各种形状复杂，处于各个部位，可达性差的结 构进行处理，且易于精确定位和控制，便于实现自动化生产，这对此项技 术的商品化极为有利 随着科学技术的发展，对精密机械零部件的精度、性能和寿命提出了越来越高 的要求，其使用环境也变得越来越苛刻，许多机械结构必须在高压、高温、高磨损 和高腐蚀的外部条件下使用。但零部件在加工过程中难免会出现各种裂纹和缺陷， 应力集中区也应运而生，从而导致零部件的破损或失效。所以材料的表面处理在现 代工业生产中越来越重要。尤其在机械制造行业，对金属材料的表面强化处理显得 更为迫切。为此人们研究开发了各种表面处理技术来改善材料的表面性能，激光表 面处理( 包括激光淬火、激光合金化、激光重熔、激光表面非晶化、激光毛化、激 光反应沉积、激光热处理和激光冲击处理等) 由于其本身的特性而受到科学界的重 视，在汽车、机械、航空等工业领域得到了广泛的推广。 而激光冲击处理技术是继激光热处理、激光非晶化及激光毛化等处理技术之后， 国际上近年来才迅速发展起来的一种新型激光材料表面改性表面处理技术。因其独 特的技术优势而更是倍受国内外科研人员的瞩目。激光冲击处理技术是当今高科技 与传统制造技术相结合的产物；是当代先进制造技术的前沿和重要发展方向：是现 代国防工业、航空工业、汽车制造工业和武器装备研制中不可缺少的特种加工技术。 具有广阔的应用前景。 中国科学技术大学硕士学位论文 激光冲击处理能有效地延缓疲劳裂纹的萌生，降低应力集中，提高材料疲劳寿 命和耐磨性等机械性能。特别适合于处理有应力集中的局部疲劳件，如各种紧固孔、 槽、圆角和焊缝等，可强化汽车上的连接杆、凸轮轴、曲杆、摇杆、齿轮、车轴； 汽轮机中的叶片、凸轮盘；切削机床中的插销和保持架；阀门用的特殊齿轮部件： 各种精密扳手、精密仪器的关键部位；还可用来冲击模具材料。使模具性能发生变 化晦4 2 。在航空航天工业，更是具有特别重要的应用价值。目前飞机上所采用的紧 固件数目极大，每架飞机上所采用的铆钉就多达1 0 0 万件以上。使用激光冲击强化 技术对飞机机体疲劳关键区、铆钉紧固件等进行处理可有效延长飞机的使用寿命， 提高飞机使用期内的安全性。所以激光冲击强化技术仅在航空航天工业中得到推广 应用，就可获得很大的经济效益和社会效益。 激光冲击处理还可用来改变粉末材料的性能。可使使疏松涂层局部变密或使粉 末致密。特别在粉末冶金零件( p o w d e rm e t a l l u r g i c a lc o m p o n e n t s ) 致密化方面有着很 好发展潜力f 4 0 】。粉末冶金零件在形成高尺寸精度的复杂零件方面具有很大经济优势， 它们已广泛应用于汽车工业、办公和家庭机械、工具以及泵等方面。而根据应用需 要，粉末冶金零件常常要要进行后继处理以提高关键部位机械性能，激光冲击处理 手段便是其中之一，并且它还特别适用于对承受机械行为的局部表面进行特别处理。 激光冲击处理还可改善材料的非机械性能，如抗腐蚀性、延缓高温氧化速度。 总之，随着研究的深入，激光冲击处理的应用潜力将进一步为工业界所认识。图1 - 2 列出了激光冲击强化技术在改变材料性能方面的应用范围【4 3 j 。 自六十年代第一台激光器在美国问世以来，激光技术得到了迅速发展。早在激光 器诞生后短短的五年间，即六十年代早期，激光峰值功率就经历了三次千倍分的增 长，从自由振荡的k w 量级，到调q 激光的m w 量级，直到锁模的g w 量级，同 时激光脉宽也已大大缩短( 现已至f s 量级) 【l 】。激光器的飞速发展使得大量的相关 物理研究和激光技术的应用成为可能，其涉及的范围也越来越广，例如激光医疗、 4 中国科学技术大学硕士学位论文 _ _ _ - _ 一一 激光加工、激光材料处理、激光美容、激光通讯、激光存储、激光印刷、激光分离 同位素和激光检测与计量等等别。而激光冲击处理( l a s e rs h o c kp r o c e s s i n g ) 则是 激光材料处理的一重要前沿领域；是继激光热处理、激光打孔、激光焊接后又一新 的强激光处理技术；为强激光的发展注入了新的活力。 早在六十年代年代初期，g a a s k a r y a n 和e m m o r e z 就已意识到利用激光脉冲 在材料中产生高应力波的可能性，许多学者也进行了一些研究。他们利用调q 激光 照射在金属靶上，得到大约1k b a r 的冲击波应力1 3 4 ，”。后来o k e e f e 等在材料的光 吸收表面上涂一层对激光透明的汽化物质还能极大的提高激光诱导产生的应力波幅 值” ，a n d e r h o l m 则把金属箔和透明固体粘在金属靶上以提高冲击波幅值口1 。直至后 来a h c l a u e r 等采用金属靶面上加黑色涂层和透明约束层的冲击结构，冲击波幅值 又进一步提高到g p a 量级陋 。 1 9 6 4 年，我国第一台红宝石调q 激光器研制成功，也揭开了中国激光技术应用 的序幕吲。其后不久，我校钱临照院士在国际上首先提出利用调q 高功率脉冲与物 质相互作用所形成的高压冲击波来改变金属位错密度的构想，并在铝单晶材料上进 行探索性实验，但由于受当时激光功率密度的限制，未能达到预期效果“。六十年 代后期，美国俄亥俄州的巴特尔纪念学院哥伦布实验室( b a t t e l l e sc o l u m b u s l a b o r a t o r i e s ，c o l u m b u s ，o h i o ) 最早对高功率激光束汽化金属表面所形成的反冲 压力波进行了实验演示，并以1 9 7 2 年该学院的b p f a i r a n d 和a h c l a u s e r 首次对 7 0 7 5 航空铝合金进行了激光冲击强化的表面处理研究为起点 1 “，相继对2 0 2 4 铝合 金、f e 一3 合金以及5 0 8 6 - h 3 2 和6 0 6 1 一t 6 铝合金焊区等材料进行了处理，大大提高了 这些材料的硬度、强度和疲劳性能，以期未来激光冲击强化技术在航空工业中能得 以应用呻“”1 。在美国空军飞行动力实验室( a i rf o r c ef l i g h td y n a m i c sl a b o r a t o r y ， a f f d l ) 的支持下，1 9 7 8 年该学院研究还发现，激光冲击是延长裂纹萌生时间、降低 裂纹扩展速度、提高飞机紧固孔疲劳寿命的有效手段i 。1 9 7 9 年，c l a u e r 等对不同 时效状态下的铝合金进行激光冲击处理，结果表明激光冲击处理效果与冲击条件、 试件材料及其时效状态有关i 。与此同时，美国国防工业中著名的洛克希德乔治亚 公司在对7 0 7 5 一t 6 和7 4 7 5 一t 7 3 铝合金的激光冲击处理中也发现，激光冲击处理能有 效提高铝合金的疲劳抗力和裂纹扩展抗力f 1 6 1 。b a n a s 也特别研究了激光冲击强化技术 中国科学技术大学硕士学位论文 对1 8 n i 合金钢焊接区的硬度和疲劳强度的影响m 1 。1 9 7 9 年以后，法国博训，俄罗斯 等航空工业发达国家也加入到激光冲击处理实验研究的行列，大大促进了此项技术 向航空工业的推广。 7 激光冲击强化技术的特点要求有特别的激光器设备。1 9 鄞1 9 8 0 期间，巴特尔 纪念学院所采用的是调q 钕玻璃激光装置，激光波长九= 1 0 6 w n ，一次脉冲输出能量 约4 0 l o o j ，脉冲宽度约3 3 0 n s ，但重复频率为每2 0 3 0 分钟仅冲击一次( 图卜 3 ) ”nz “。1 9 8 6 年以后，法国的汽车和航空工业界为发展高效，清洁的激光冲击处 理的实用设备，在l a l p ( l a b o r a t o i r ed a p p l i c a t i o nd e sl a s e r sd ep u i s s a n c e ) 实验室进行了一些这方面的研究工作，所采用的仍是调q 钕玻璃激光器，但直到1 9 9 0 年以后，重复频率才提高到每2 3 分钟冲击一次。由于钕玻璃激光器重复频率低， 所以激光冲击技术一直难于进入到实际的工业应领域。l a l p 实验室近几年便致力于 发展利用准分子激光器进行激光冲击处理，重复频率高达5 h z ，然而准分子激光器 的最大脉冲能量仅有5 l o j ，所以必须大幅度减小聚焦光斑的尺寸以达到所需的功 率密度，这限制了冲击区域的大小。但对于小部件的冲击处理，准分子激光器十分 有效，如此一来，小能量激光冲击( s m a l ll a s e ri m p a c t ，简称s l i ) 成为近几年激光 冲击处理研究中的新热点。”。为进一步提高重复频率和激光功率密度，美国加州 大学的劳伦斯里弗莫尔国家实验室( l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y , l l n l ) 与m i c ( m e t a li m p r o v e m e n tc o m p a n y , i n c ) 公司合作，开发出平均功率6 0 0w 、峰 值功率3g w 、重复率1 0h z 的钕玻璃激光器( 图1 4 ) ，并用于喷汽发动机扇叶的 冲击强化 2 5 - 2 8 】。同时美国的g e 公司也正进行类似的研究开发，除涡轮风扇叶片外， 还应用于t c 4 和因康镍合金冲击处理，取得良好强化效果。至此，劳伦斯里弗莫尔 国家实验室、m i c 公司和g e 公司的努力使得激光冲击处理技术的工业应用向前迈 开了决定性的一步。1 9 9 5 年2 月，j e f f d u l a n e y 博士创立世界上目前唯一一家激光冲 击处理技术有限公司( l s pt e c h n o l o g i e s ，i n c ) ，向工业界提供优质l s p 商业服务和 商业设备，第一套激光冲击处理设备已于1 9 9 7 年建成( 图1 5 ) ，图1 - 6 和图1 7 分 别为激光冲击处理涡轮叶片和齿轮的场景【2 2 1 。 在我国，激光冲击强化技术研究也达到了相当水平。从我校钱i | 缶照院士的探索 性研究开始，华中理工大学邹鸿承等人用水作约束层，小能量( 2 0 - - 1 9 0m j ) 激光， 小面积( mo 3 1m m ) 多点钉合冲击l y l 2 c z 铝合金，其表面硬度和疲劳寿命均有 提高【2 9 3 0 i 。但由于长期以来高功率激光器系统仅中国科学院上海光机所、中国工程 物理研究院及中国科学技术大学强激光技术研究所才拥有，而这些大型激光系统不 6 中国科学技术大学硕士学位论文 仅规模大，难于实现工业应用，且激光脉冲宽度等参数也不符合激光冲击处理的应 用要求，故激光冲击处理的系统试验研究一直未能得到发展，长期处于空白状态。 直至9 0 年代，实用的激光冲击强化技术的研究才真正在国内开始。从1 9 9 3 年起， 我校物理系强激光技术研究所在国家高技术8 6 3 - 4 1 0 主题专家组中国科学院中国航空 物质总公司国家计委国防司( 现国防科工委) 及有关工业部门的支持下，依据在高 功率钕玻璃激光技术研究方面具有的优势，与南京航空航天大学成都飞机设计研究 所等单位共同合作，采用特制的激光冲击处理实验装置，对此项技术进行了一系列 进行研究，有效强化了碳钢、合金钢、铝合金及镍基高温合金等材料，并试图用于 航空材料改性处理，延长航空结构件寿命阱”4 “。目前，在有关单位支持下，我们正 设计制造实用的激光冲击处理的实用工程装置( 图1 - 8 ) 以期形成商业化产品，推 广到国内国际的航空工业市场。 功率密度w c 甜 图卜1激光加工技术的激光参数范围 中国科学技术大学硕士学位论文 图1 2 激光冲击强化技术材料改性处理的应用范围 8 中国科学技术大学硕士学位论文 幽l - 3巴特尔用于l s p 的激光系统 图1 4l l n l 的l s p 激光系统安装现场 酗1 5l s pt e c h n o l o g i e s ，i n c 研制的实用 图l - 6 激光冲击涡轮叶片的场景 激光冲击强化装置 图i - 7 激光冲击齿轮的场景 图1 - 8 中国科学技术大学的l s p 实用工程装置 9 中国科学技术大学硕士学位论文 2 - 1 引言 激光冲击强化处理系统的基础是激光冲击波技术。为此，必须首先对由高功率 脉冲激光所驱动的冲击波( 激光冲击波) 的持续时问宽度、峰值压力、在材料中的 传播速度及衰减系数等特性进行深入的理论分析和实验研究，才能明确冲击处理对 激光束特性( 激光脉冲宽度、脉冲能量与峰值功率等) 的具体要求。为激光冲击强 化装置的设计建造及材料的激光冲击处理合适冲击参数的选择提供科学的依据。 激光冲击强化技术系统研究既涉及激光技术、热学、力学，又涉及材料科学、 工程控制等多门学科，其过程比较复杂，研究难度大。如何真实描述、合理评价激 光冲击处理过程，建立该过程各环节的物理、数学模型是激光冲击处理技术研究的 关键，也是激光冲击处理技术走向实用的基础。 本章在以前研究成果的基础上，对激光冲击处理的过程进行了系统的总结和进 一步的探讨。 激光冲击强化就是通过高功率短脉冲激光辐射金属材料表面，其表面物质因吸 收激光能量而迅速汽化电离，形成等离子体，由等离子体的快速喷射在材料表层产 生高压冲击波，从而改变材料性能。历史上，为获得足够高的冲击波压力，曾出现 过不同的冲击模型。起初，人们直接让激光辐照被处理的材料，即所谓的非约束模 型，结果发现这种模型所获得的冲击压不高，而且由于激光直接与材料表面相互作 用，对材料的性能反而形成了很大的破坏。为提高冲击波压力，0 k e e f e 等在材料的 光吸收表面上涂一层对激光透明的汽化物质 6 ，而a n d e r h o l m 则把金属箔和透明固体 粘在金属靶上口 ，直至后来a h c l a u e r 等采用金属靶面上加黑色涂层和透明约束层 的冲击结构，激光冲击强化的约束模型才得以确立【8 】。这种模型的冲击波幅值可高 1 0 中国科学技术大学硕士学位论文 达g p a 量级，并且黑色涂层的采用有效的保护了受冲击工件，是目前激光冲击处理 中广泛采用模型结构。 2 - 2 1 激光冲击处理的非约柬滇型 2 - 2 1 1 激光对金属材料的直接烧灼 图2 - i 激光冲击强化非约束模型 如图2 1 所示，此模型的最大特点是激光束直接辐照到金属材料表面，故也称直 接烧灼模型。在不同的激光功率密度条件下，材料表层区域发生各种不同的变化 这种变化包括温度升高、融化、汽化、形成小孔和等离子云等。材料表层区域物理 状态的变化反过来有极大地影响材料对激光的吸收。材料在激光作用下的不同状态 如图2 2 所示4 。 图2 - 2 材料在激光作用下的不同状态 光在材料表面的反射、透射和吸收本质上是光波电磁场和材料相互作用的的结 果。物质吸收激光后首先产生的不是热，而是某些质点的过饱和能量，如自由电子 的动能、束缚电子的激发能等。这些原始的激发要经过两个步骤才能转化为热能。 第一步是受激粒子的空间和时间的随机化，这个过程在粒子的碰撞时间( 即动量驰 豫时间，比最短的激光脉冲宽度还短，甚至可能短于光波周期) 内完成。第二步是 中国科学技术大学硕士学位论文 能量在各质点间的均匀分布，这个过程包含有大量的碰撞和许多中间状态，这在非 金属材料中更是如此。 为描述激光辐射的热效应，人们常常忽略复杂的驰豫途径，而用一总的能量驰豫 时间“表示辐照区能量均匀化过程的特性。对于金属而言，t 。为1 0 。1 3 s ，而对于非 金属f 。= 1 0 - 1 2 1 0 6 s 。具体数值与材料和辐照激光的功率密度有关。总之驰豫时间 极短，除非讨论以锁模超短脉冲激光辐照材料的瞬变过程，对于一般的激光加工， 均可认为材料吸收的光能向热能的转换是瞬间发生的，并且在这瞬间，热能仅仅局 限于材料激光辐照区的一很薄表面层“3 。 激光照射材料表面，一部分反射，一部分进入材料内部( 即透射光) 。假设进入 材料内部的透射光均被吸收，则此吸收率为： a = l 只 ( 2 1 ) 其中r 为反射率，对于多数金属a = 0 7 o 9 5 。当透射光在材料内部传播时，光强 按指数规律衰减，深入材料表面以下x 处的的光强为： i ( x ) = a i o e 一( 2 2 ) 式( 2 2 ) 称为布格定律，厶为表面( x = 0 ) 处的入射光光强，口为材料的吸收系数。 多数金属的吸收系数为1 0 5 1 0 6 啪。量级，因此，激光透入金属材料的深度也只限 于表面下1 0 “1 0 。c m 范围。在如此薄的激光穿透深度内，导电电子吸收光子能量， 并在1 0 。1 1 0 。o 秒内把吸收的能量转化为晶格的热振荡。固体金属是靠金属键结合 的，一旦激光光子入射到金属晶体中，在入射激光能量密度在不引起金属晶格结构 发生根本性重构的情况下，金属对激光的吸收将由光子和公有化电子发生非弹性碰 撞来实现( 即光子被电子的吸收过程) ，使电子由原来的低能级状态跃迁到高能级状 态。显然，入射到金属内部的光予将面对数量非常多的公有化电子。通过一次或多 次非弹性碰撞，光子总会在距表面一个很薄的厚度内被电子吸收( 穿透深度 1 0 1 0 。c m ) 。金属中公有化电子之间也是在不停地相互碰撞，其碰撞的平均时间 为1 0 。1 3 s 数量级。吸收了光子处于高能级状态的电子将在与其它电子的相互碰撞 ( 1 0 。3 s 数量级) 和与晶格声子的相互作用过程( 1 0 。1 0 。o s 范围) 中进行能量传 中国科学技术大学硕士学位论文 递，即进行了能量以热的形式转移，从以上的数据也可看出，金属内部在吸收光子 的作用点上，光能转变成热能是在非常短的瞬间完成的。 r ，爿及0 c 之值可由材料的光学常数或复数折射率的测定值进行计算。对光具 有吸收特性的材料的复折射率为： m = ”一j 七 ( 2 3 ) 垂直材料表面入射时的反射率为： 肛搽 ( 2 _ 4 ) 吸收系数为：a = 4 舭九( 2 5 ) 激光辐射与吸收介质的相互作用，按其主要的物理现象可划分为两个范畴：一 个是上述的低温范畴，在这个范畴内，材料实际上完全未离化，即是中性的；另一 个是高温范畴，材料过渡到等离子体状态，材料大部分或完全离化。通常激光功率 密度低于1 0 8 w c m 2 时，属于低温范畴，这时物质发生的主要过程是由凝固相向气相 的转变。通常讲的激光加工( 包括激光淬火、激光熔覆、激光合金化、焊接、切割、 打孔等) 均属于低温范畴。在高温范畴，激光功率密度大于1 0 9 w c m 2 ，即以瞬态过 程为基础产生高温等离子体。当光强处于这一范围时，无论初始透明还是不透明的 材料，其行为不再有任何差别，只要激光功率密度达到一定的阈值，所有材料( 包 括固态或液态氢这类透明介质在内) 由于光学雪崩击穿，很快转变为强吸收状态， 其后由于吸收激光能量进一步加热而产生高温等离子体“。 激光功率密度在1 0 9 l o ”w c m 2 之间时，激光与吸收介质的相互作用的物理机 制明显的由逆向韧致辐射( i n v e r s eb r e m s s t r a h l u n g ，简称i b ) 所主导( 图2 3 ) ， 在这一过程中，等离子体中的一个自由电子吸收激光的一个光子并进入高能状态( 故 具有较高动量) ，同时，一离子产生反冲也获得残余冲量。热等离子体( k t ) 所对应的韧致辐射吸收的吸收系数可以写成m 】： 口( c o ) ：型坚塑娶型( z - 6 ) 6 月e 0 3 m 。，l l c 2 k t 、l 2 x m 。k t 。 式中。，m 为电子和离子浓度，z 为原子序数，m 。为电子质量，为材料折 中国科学技术大学硕士学位论文 射率，这个吸收系数近似与五2 ( 激光波长的平方) 成正比，因此c 0 2 激光比可见光 或近红外激光更容易产生这一过程。由于韧致辐射过程能使自由电子和离子获得较 高冲量，而较高速度的电子和离子是产生雪崩击穿的关键，因此对同一介质而言， 短波长激光的电击穿功率密度闽值比长波长激光的高。 当激光功率密度大于1 0 ”c m 2 时，以等离子体聚合效应( c o l l e c t i r ee f f e c t s ) 为主导( 图2 4 ) 。此时，激光与多个等离子相互作用，而不只是仅仅被一个电子所 吸收。这个过程将导致产生离子波、聚合振荡或其它电磁模式( 如发出不同于入射 频率的激光) ，这一过程发生的几率随激光波长的减小而增加。 图2 - 3 逆向韧致辐射 图2 - 4 聚合效应 等离子波 2 - 2 1 - 2 直接烧灼的冲击波压力 p h i p p s 等h 3 1 对此类实验产生的冲击波压力进行了一系列的研究，结果显示，在 一很宽的参数( x i ) 范围内，直接烧灼压力可由如下的经验公式计算： 皂：6 ( 执石) 一 ( 2 7 ) 其中系数b 与金属材料有关，对c h 和铝合金参数n = 一0 3 o 0 3 。通常上式可写作： p “( m b a r s ) = 3 9 3 x 1 0 3 1 07 ( g w c m 2 ) 矿3 ( r a n ) x * - 0 1 5 ( 邶) ( 2 8 ) 故冲击动量为： 生里型堂垫查盔堂堡主堂竺堡苎 m ；只t ( m b a r s 珊) = 3 9 3 x 1 0 一川i7 ( g w c m 2 ) x 矿3 ( m ) t o 8 5 )( 2 9 ) 从p h i p p s 的研究结果可以看出，对直接烧灼模型，采用短波长激光是有利的。 由于材料的冲击强化效果与其所获得的冲量成正比，这又要求有足够的激光脉宽， 但另一方面，激光脉宽太大，会使冲击压力值降到材料的动态屈服强度以下，以至 在材料表面无法产生塑性变形的强化层。所以选用适中的激光脉宽也是一需考虑的 重要因素。 2 2 2 激光冲击处理的约舅濮塑 2 - 2 - 2 1 模型j 醚 在激光冲击强化的非约束模型中，若使用传统的n d ：g l a s s 玻璃短脉冲高功率激 光器，要求其在的3 3 0 n s 的脉冲持续时间范围内输出大约8 0 l o o j 的能量。当如 此高的激光能量源被聚焦在一个很小的金属材料区域时( 典型约为l c m2 ) ，金属表层 会迅速汽化形成高温( 大约1 0 0 0 0 k ) 高压( g p a 量级) 等离子体。在等离子体的喷 爆过程中将在金属材料中诱导一冲击波，并在材料和冲击波的耦合系统中产生一机 械冲量。 约束模型对上述的冲击压产生机制进行了巧妙的修正，其关键在于冲击结构( 图 2 - 5 ) 。首先在金属材料表面覆盖一层对激光波长而言不透明的物质( 通常为黑色涂 层) ，然后再在其上加上对激光透明的绝缘材料，也就是约束层( 如水或玻璃) 。当 激光束穿透水或玻璃约束层后，激光能量将被不透明的黑色涂层强烈吸收，并且仅 仅很薄的一部分涂层被牺牲汽化掉以形成等离子体，这样一来激光对金属层的热影 响被有效的抑制，从而保护了被冲击工件。另外，由于约束介质的存在，有效增大 了等离子对激光能量的吸收，新被产生的等离子体会持续吸收剩余的激光能量，从 而增长了等离子体加热时间。与非约束模型中的直接烧灼相比，约束介质与靶材之 间等离子体的绝热膨胀被延迟，使冲击压力和冲击动量增高。 与非约束模型的直接烧灼相比，约束模型可轻易获得5 g p a 的冲击压力。在同 样的激光功率密度下，冲击压幅值要比直接烧灼高一个量级，冲击压脉冲的持续时 间则比激光脉宽长2 3 倍。实际上，约束模型结构是激光冲击强化技术的基础。 中国科学技术大学硕士学位论文 2 2 - 2 - 2 冲击波产生的过程分析 此节精确地描述了约束模型中激光冲击波的形成机制州9 州。可把约束模型中激 光与物质的相互作用过程分为三个阶段。 ( 1 ) 第一阶段是激光加热过程。从激光器打开开始，激光脉冲能量不断沉积于金属靶 与透明的约束材料之间，用以产生等离子体。由等离子体施予的压力诱导两冲击 波( 速度为d 。和d ：) 分别在金属靶和约束介质中传播。在冲击波的推动作用下， 由于物质界面的位移( 速度分别为u ，和u 2 ) ，金属靶表面与约束介质内表面将形 成界面空隙，其厚度( l ) 将不断增大。 ( 2 ) 当激光脉冲结束以后，等离子体将继续维持一定的压力。理想情况下，等离子体 发生绝热冷却膨胀，其与靶和约束介质相作用的两界面的空隙厚度( l ) 也将继续 增大。在上述两个阶段中，由于冲击波的作用，靶材将获得一个对材料改性有益 的冲击动量。 ( 3 ) 第三阶段是复合等离子体的绝热冷却过程。此过程持续较长时间，但由于施予的 压力太小，以至不能在靶材中产生塑性变形，对材料的改性也就没有什么帮助。 但如此长的持续时间，却使靶获得了很大的冲击动量。实际上，金属靶获得的冲 击动量主要来自这个阶段。第三阶段是从等离子体的完全复合后开始的，其机制 类似于受热气体“佳能球式”( c a n n o n - b a l l l i k e ) 的绝热膨胀。 下面我们来定量讨论这三步过程。图2 - 5 显示的是靶材组合的几何模型，我们在 这里仅仅考虑此问题的一维解。激光能量在靶材( 1 ) 和约束层( 2 ) 之间被吸收，并仅仅 局限在一很薄的表层，这一区域的物质( 即涂层) 被加热、汽化、离化后形成等离 子体，它的喷爆受到了约束层的限制，压力迅速增大，同时打开界面空隙作功。 假设这一压力足够强以至产生两冲击波分别在靶材和约束介质中反向传播。如此 以来，界面的位移仅仅由两冲击波后的流体运动引起。以三( f ) 表示在t 时刻界面空 隙的厚度，其可由如下公式计算： 三( f ) = 眦( f ) + 1 , 1 2 ( r ) k ( 2 _ 1 0 ) 式中冲击波后方的两流体速度和“：可由如下冲击波关系式给出： p = p ，d “。= z j u f( 2 1 1 ) 1 6 中国科学技术大学硕士学位论文 其中f ：1 , 2 ，p 1 d ，z ，分别表示材料f 的密度、冲击波速度和冲击波阻抗系数。 我们以两种简单的情形为例作进一步的计算。 ( a ) 介质( 靶和约束层) 为固体，并且冲击波阻抗系数z f2 p ，口为常数 ( b ) 介质为理想气体，此时冲击波阻抗系数与压强有关，可表示为： 驴( 半 l 2 嘲 激光束 i 2 冲竺卫 l d i d 冲击波 1 图2 5 激光冲击强化的约束模型 水或玻璃约束层 等离子体 吸收涂层 金属靶 在( a ) 情形下，由式( 2 一l o ) 和式( 2 1 1 ) ，并考虑到z ，为常数可得如下关系式： 警= 知) ( 2 - 1 3 ) 其中2 z = 1 z l + 1 z 2 在( b ) 情形下，由式( 2 1 0 ) 、式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 可得： 阶k ( 警) 2 ( 2 - 1 4 ， 其中k = ( y + 1 ) p o 8 ，2 p o = 1 p l + l p 2 m a 加热阶段 被吸收的激光能量一部分用来增加界面间等离子体的内能，另一部分用来打开 界面作功。若以e 。( f ) 表示每单位体积等离子体的内能( 即能量密度) ，( f ) 为t 时刻 的被涂层吸收的入射激光功率密度