激光冲击强化技术

2024年3月29日发(作者：迷糊的妈妈)

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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

Lar Shock Processing Technology

Abstract: This article mainly introduces Lar 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

激光冲击强化技术((Lar 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，

[1]

通过这种方式可以实现对材料的性能的强化处理。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(Lar Hardening)、激光熔覆(Lar

Cladding)、激光表面合金化(Lar Alloying)、激光冲击强化处理(Lar Shock Processing，

[1]

LSP)、激光冲击成形技术(Lar Shock Forming，LSF)等。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

[1]

实验的实验系统；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

[1]

幕。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

[1][2]

靶材部结构相互作用的机理和类型，建立激光诱导爆轰波的理论模型并对其进行分析。

2. 激光冲击强化作用机理的研究：研究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

[1]

能进行规律分析、机制分析等相关研究。

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

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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

激光冲击处理是使用GW/cm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。

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图1.1 激光冲击强化原理图

Fig.1.1 Schematic of lar 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可以达到一个极高的值而气化，气化后

[4]

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。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

[4]

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，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

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

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整个激光冲击处理过程中，激光功率密度可以达到GW/cm时等离子体诱导形成冲击波被定

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