激光冲击强化技术

激光冲击强化技术激光冲击强化技术 摘要 本文主要从作用机理 强化机理及影响因素等方面系统的介绍了激光表面强化技术 关键词 激光表面强化 冲击波 晶粒细化 Laser Shock Processing Technology Abstract This article mainly introduces Laser shock processing LSP from the respect of the interaction mechanism the strengthening mechanism and the influencing factors Keyword LSP shock wave grain refinement 1 引言引言 激光冲击强化技术 Laser shock processing 简称 LSP 作为一种新兴的表面改性处理技 术起始于上世纪六十年代 也是当代具有重要意义的自然科学发明之一 在激光表面处理 技术应用之初 科学家们意外发现激光脉冲可以产生肉眼无法察觉的冲击波 如果冲击波 能够连续作用于金属表面 会在金属表层形成压应力 这种压应力远大于材料本身的屈服 强度 能够在金属表面形成一定深度的高幅值残余压应力层 使表层材料得到硬化 晶粒 细化 通过这种方式可以实现对材料的性能的强化处理 1 激光表面处理技术在发展过程 中出现了多种形式的处理方法 包括主要激光相变硬化 Laser Hardening 激光熔覆 Laser Cladding 激光表面合金化 Laser Alloying 激光冲击强化处理 Laser Shock Processing LSP 激光冲击成形技术 Laser Shock Forming LSF 等 1 作为一项相较于传统工艺 清洁高效的 高新技术 目前激光表面处已经广泛应用于军工国防 航空航天等领域 例如微精密设备 的小孔强化 损伤叶轮修复以及水下设备的抗腐蚀性强化和焊缝延寿等 2 国内外激光冲击强化技术的研究现状国内外激光冲击强化技术的研究现状 上世纪七十年代 Battelle s Columbus 等科学家设计并制造出了能够进行激光冲击实 验的实验系统 1 在 1972 年 科学家 Fairand B P 等人利用高功率脉冲激光对铝合金的机械 性能和微观组织进行检测和分析 证明了激光冲击对铝合金的强化作用 经实验结果表明 铝合金的屈服强度提升了 30 左右 这个结果也正式掀起了激光冲击对材料优化研究的序 幕 1 此后 Fabbro R 等人于 1987 年论述了激光与金属材料相互作用产生冲击波的关系 提出并验证了约束模式下激光冲击波峰值压力的估算公式 目前激光冲击技术已经广泛应用于航空航天 医疗器械 军工装备等多方面领域 并 起着举足轻重的作用 当前国内外学者和科研机构就激光冲击强化而言 主要就以下几个 方面进行研究 1 激光冲击强化的物理性研究 研究重点在于解析强化过程中的物理效应 冲击波与 靶材内部结构相互作用的机理和类型 1 建立激光诱导爆轰波的理论模型并对其进行分析 2 2 激光冲击强化作用机理的研究 研究内容主要是从表面粗糙度 硬度 残余应力和 微观组织等角度对激光冲击处理之所以能够有效提升靶材的抗疲劳 耐腐蚀 抗摩擦磨损 等性能进行规律分析 机制分析等相关研究 1 3 工程技术领用的应用性研究 对激光加工系统进行改进 工艺参数进行优化 对冲 击区域性能的评测以及强化过程的在线研究进行合理的设置等等 中国激光冲击强化研究虽然起步较晚 但近些年来发展迅速 并且已经成功将该项技 术应用于军事航空领域 拥有了多项自主知识产权 取得了大量的研究成果 为实现激光 强化工业化的具体实施奠定了扎实的基础 清华大学提出了利用激光冲击处理来制备表面 高性能纳米涂层 并设计出了完备的加工工艺 此项技术的提出将激光冲击和纳米复合材 料制备技术结合 为制备纳米复合涂层打开了新的思路 3 1 激光冲击强化原理激光冲击强化原理 激光冲击处理是使用 GW cm2级的高功率密度和 ns 级的短脉冲宽度的强激光辐照材 料表面 利用激光与辐照金属表面材料相互作用的响应过程 进而对材料表层进行性能优 化处理的一种表面处理处理技术 图 1 1 激光冲击强化原理图 Fig 1 1 Schematic of laser shock processing 在激光处理过程中 由于激光辐照作用的影响 激光会透过约束层被金属材料表面附 着的能量吸收涂层吸收 因照射部位温度在极短时间内可以达到一个极高的值而气化 气 化后形成蒸汽电离 若继续吸收激光辐照的能量则形成了等离子体 4 当能量迅速积累达 到临界值时 将会引起膨胀爆炸 激光持续作用形成的等离子体引起的爆轰波作用于金属 靶材表面 形成方向指向金属的冲击波 当冲击波作用所引起的压力远大于靶材本身所能 承受的动态屈服强度时 冲击波影响的区域就会发生超高应变率作用下的塑性变形 4 伴 随着位错密度的迅速增加 表层材料晶粒得到细化 并在金属表层形成一定深度的高幅值 残余压应力区域 同时还会出现相变 孪晶等结构变化 从而使材料的抗疲劳性 耐磨性 抗断裂性等机械性能得到改善 其基本原理如图 1 1 所示 3 2 激光诱导的冲击波激光诱导的冲击波 当激光辐照于金属表面时 能量大于一定的临界值后 靶材的表面层会在短时间内快 速吸收激光能量 高幅值的激光能量会造成表层产生熔融与气化 在此过程中 因气化作 用生成的蒸汽粒子会对激光能量进一步吸收而造成自身能量的进一步累积 巨大的能量将 使得蒸汽粒子发生电离现象 形成具有高温高密度值的等离子体 等离子体在向四周扩散 和膨胀过程中会形成具有极高压力的冲击波 这种冲击波的压力值大小会随着激光能量强 化的变化而产生相应的改变 根据激光能量的高低不同 冲击波类型可以分为燃烧波及爆 轰波两类 在整个激光冲击处理过程中 激光功率密度可以达到 GW cm2时等离子体诱导 形成冲击波被定义为爆轰波型 爆轰波会以 104m s 的速度向各方向传播 爆轰波压力随着 激光功率密度的增大而升高 同时与脉冲能量之间也呈正相关 一般由激光冲击作用所生成的冲击波类型有以下两种方式 非约束型以及约束型 非 约束模型中不包含约束层和吸收层 在冲击过程中激光束会将直接接触到靶材表面 这种 类型的冲击波形式中 约束层不会对等离子体产生约束作用 而会以一种开放式的形态向 各个方向自由膨胀 能量分散且分布不均 造成的后果是诱导的冲击波压力值不高 且能 量不集中 无法起到冲击强化的作用 另一种约束型是在靶材表面涂覆黑色涂层和透明的 约束层 透明的约束层可以有效阻止等离子体的膨胀 使冲击波可以完全作用于靶材表面 极大增强了冲击波的冲击效应 激光冲击作用于金属靶材的表层时 会存在冲击波与靶材之间的力作用 诱导形成残 余应力场 这也即是说冲击波是靶材表面冲击作用区发生塑性变形的根本原因 激光冲击 的强化作用来源于力效应 而不是激光能量本身的热效应 冲击波在靶材内传播时 方向 会沿着其冲击方向产生单向的轴向压应力 位于冲击波方向区域的靶材将会被压缩 而与 材料表面平行的面上的区域则会延长 激光冲击强化技术是利用高应变速率下产生的剧烈塑性变形对材料进行强化 而实际 上是利用了冲击波与靶材金属之间的相互作用 激光照射靶材金属后会发生材料的升温 熔融 层裂等现象 这是由于激光冲击的热效应与力学效应 而随着激光参数的不同 激 光作用于靶材 所产生的影响和作用机理也不完全相同 一般而言在激光功率密度达到 103 104W cm2时 靶材表层出现缓慢加热 在 104 106W cm2时开始熔化 在 106 108W cm2时出现部分气化现象 在 109 1010W cm2时出现激光等离子现象 形成等离 子体 当激光辐照到靶材表面时 除了一部分能量会被靶材吸收外 其余能量将会被材料反 射或者直接逸散出去 激光与靶材之间的能量传递遵循能量守恒定律 也就是说激光入射 的能量等于材料表面对激光的靶材吸收能量 靶材反射能量和逸散能量之和 1 6 0 反射 吸收 透射 靶材对激光的吸收除了与材料的种类和特性有关外 还与靶材针对激光波长的选择性 吸收率有关 此外材料对激光的吸收还受到外部环境 包括温度 湿度 表面涂层和表面 粗糙度等多种因素作用的影响 3 3 剧烈的塑性变形与晶粒细化机理剧烈的塑性变形与晶粒细化机理 金属可以认为是由大量的晶粒堆积而成 同时每个晶粒也都有着各自不同的取向性 相邻晶粒间通过面面接触连接在一起 这种接触面称之为晶界 晶界一般有着不同的取向 厚度在 2 个原子间距左右 通过相邻晶粒的取向差 和晶界面的方位可以定义晶界 当 15 时称之为小角度晶界 当 15 时则称之为大角度晶界 伴随着激光冲击过程 金属会发生明显的塑性变形 晶粒大小的变化与金属的组织结构相关 晶粒细化的过程中 由于塑性变形会引起高密度位错 孪晶等微观形貌的变化 在晶粒内部逐渐形成小角度的 亚晶界 进一步演化后会发展成大角度晶界 大角度晶界会产生切割效应 将整个晶粒形 成具有取向性的细小晶粒 实现晶粒细化 大尺寸晶粒不断地被转变成数量众多但更为细 小的晶粒 晶粒的大小甚至可以达到纳米级 成为纳米晶 金属塑性变形方式的因素包括 材料的晶体结构 层错能以及相变化等 体心立方晶格 bcc 和面心立方晶格 fcc 金属具有 12 个滑移系 而密排六方晶格 hcp 的金属滑移系相对教少 对于高层错能的立方结构的金 属而言 塑性变形的机制主要是通过位错变化实现 低层错能和密排六方结构金属 则通 过机械孪生实现 下表 1 2 所示为不同结构金属材料的层错能和变形运动形式 表1 2 不同金属材料的层错能和变形形式 1 Table 1 2 Deformation modes related to stacking fault energies and structures 材料FeAlCu 316L 不锈钢 304 不锈钢 TiCo 晶体点阵bccfccfccfccfcchcphcp 层错能 mJ m2 20016678402130027 变形运动位错运动位错运动 位错运动 机械孪生 位错运动 机械孪生 机械孪生 位错运动 机械孪生 位错运动机 械孪生 对于 GH2036 高温铁基合金而言 体心立方晶格 bcc 具有较高的层错能 当载荷以高 应变率作用于材料表面时 位错开始增殖 同时位错密度提高 位错交割将使粗大的晶粒 得到一定的细化 这是塑性变形初期的表现 在变形程度逐渐增加之后 位错会通过湮没 重组等形式转变成小角度亚晶界 从而降低内部畸变能 在塑性变形后期 小角度亚晶界 会通过吸收相邻位错导致晶界滑移而成为大角度晶界 最终亚晶粒内部形成的位错胞和位 错缠结会分割晶粒完成晶粒细化 当晶粒中的位错增殖速率和湮没速率基本保持一致时 系统内能量趋于稳定 晶粒细化过程结束 当发生塑性变形后 材料的表层影响区会得到一定程度的强化 这种因塑性变形引起 的的强化 其强化机制包括 细晶强化 位错强化 晶界强化 孪晶强化 图 1 3 所示为 金属合金常见强化机制的示意图 1 位错强化 当材料发生塑性变形时 位错密度增加 位错活性也随之增加 当位错密度达到一定 值时 位错间相互作用形成位错缠结等位错结构 这些结构会反过来阻碍位错的运动 若 塑性变形持续增大 则会引起载荷的递增 这在宏观上会表现为金属表面强度的提高 变 形强化的本质在于位错密度的增加 实验证明 位错密度的增加和材料强度的提高呈正相 关 5 2 晶界强化 在晶界表面 金属原子的排布并不规律 同时还存在晶格点阵畸变 位错缺陷的衍生 和发展 塑性变形时 晶界的存在会阻碍位错运动 形成位错的堆积 且这种阻碍作用会 随着晶界数目的增加而愈加明显 因此晶界强化时 材料本身的变形抗力增加 因此强度 得到提升 此外由于多晶体的晶粒间存在取向性的差异 当某个晶粒发生滑移时 其他晶 粒会阻碍其运动 因此滑移阻力的增加也从另一方面提升了材料的变形抗力 伴随着晶界 数目的增多 晶界的排布也越复杂 裂纹在晶界上的传播将会变的更为困难 表现较高的 塑性和韧性 3 孪晶强化 孪晶界由于其结构特征属于能态偏低的共格晶界 所以晶粒内孪晶界的分布可以抑制 位错的运动 促使孪晶界上或交割界面处发生位错的堆积和缠结 造成的应力集中现象 提高材料的强度 孪晶片层的尺度越小 强化效果越明显 实验表明纳米尺度时其强化效 果远远大于微米尺度或者亚微米尺度的强化效果 6 4 细晶强化 晶粒尺寸越小 也意味着在单位体积内晶界数量越多 而随着晶界数目的增加晶粒内 部位错运动将会受到阻碍 滑移带会在晶界处堆积湮没 多晶粒原子间存在不同的位向差 相互晶粒间可以通过滑移来协调变形 在滑移过程中还会伴随着位错切割 提高金属强度 此外 单位体积晶粒数目增多 相同的变形机制将会在更多晶粒中进行 避免了产生较大 的应力集中而使塑性变形效果更加均匀 在细晶过程中由于晶粒细化 晶界数目增多 裂 纹便不易萌生和发展 在断裂的过程中表现出强韧性 图1 3 金属合金常见强化机制 34 a 固溶强化 第二相弥散强化 b 细晶强化 晶界强化 c 位错 孪晶强化 Fig 1 3 Illustration of structural modification for strengthening metals and alloys a strengthening via solid solution precipitates and dispersed particales b grain refinement strengthening or the grain boundaries strengthening d nanoscale twin strengthening based on dislocation twin boundaries interactions 3 4 激光冲击强化的影响因素激光冲击强化的影响因素 在激光强化过程中 激光束会通过约束层后辐射在吸收层 在这个过程中伴随着能量 形态的转变 从激光束的能量转变成诱导材料发生塑性变形所需要的能量 并以此产生残 余压应力 因此 影响因素还包括 1 约束层 约束层除了可以阻止等离子体的不定向性膨胀 促使激光能量的集中 还可以强化靶 材与冲击波之间的相互作用 也可以说 约束层的存在可以同时增加激光所诱导形成的冲 击波和脉宽大小 在选择约束层时 除了要求激光束保持高的透射率和声阻抗等特性外 还要考虑到激光可能会击穿约束层直接作用于靶材表面 因此约束层的厚度也有着明确的 适用范围的规定 2 吸收层 吸收层的作用一方面是提升靶材对激光能量的吸收率 另一方面可以保护靶材避免靶 材与激光直接接触造成烧蚀破坏 实验表明 若靶材表层没有附着吸收层 将无法形成靶 材对于激光能量的高效吸收 造成等离子体因能量不足产生不定向的膨胀而远离靶材表面 无法形成足够的塑性变形 下表 1 3 为不同条件下靶材表面残余应力 表 1 3 不同条件下的表面残余应力 Table 1 3 The surface residual stress in different conditions 处理方式无吸收涂 层 未处理 55Cl6mm 光斑水层6mm 光斑黑漆6mm 光斑水层 黑漆 残余应力 MPa570MPa 220MPa 380MPa 430MPa 510MPa 大量的研究表明 靶材表面附着吸收涂层在激光冲击后可以形成较大的残余应力 但 同时其厚度也是影响激光能量作用的关键因素 若吸收层厚度不足时 则会产生靶材表面 的烧蚀 若吸收层过厚 则会影响冲击波能量 造成作用于靶材表面的能量值过低 无法 对靶材进行有效强化 因此吸收层需要选择一个适当厚度 3 激光工艺参数 在激光强化过程中所需要设定的激光参数包括功率密度 I