LSP机理

3.1激光冲击强化机理传统生产中常采用喷丸强化，通过不断地喷射的弹丸流喷射材料的表面，从而提高材料的机械性能[5-6洪]。而激光冲击强化处理是随着激光技术的发展而出现的新型的表面改性技术。随着高功率短脉冲激光器技术的日益成熟,高能激光和材料相互作用产生高冲击波的技术应用及研究日趋广泛。利用高能脉冲激光束替代有质弹丸冲击零件表面进行材料改性的激光喷丸强化技术有望替代传统强化技术。激光冲击强化，简称LSP(Lasershockprocessing)是利用高功率密度(大于109W/cm2)、短脉冲的强激光诱导的高压冲击波对材料表面实施改性的一种技术。图3.1为激光喷丸强化的基本原理示意。为提高激光能量的吸收和保护金属材料表面不受激光的热损伤,在激光冲击强化前,一般需要在工件的待处理表面覆盖一层不透光的材料(如黑漆、金属箔等),作为能量吸收层,然后再覆盖一层透明材料(如水、玻璃等),作为约束层。当高功率密度(GW/cm2量级)、短脉冲(ns量级)的强激光穿过透明约束层冲击金属靶材时,能量吸收层充分吸收高能激光的能量,在极短时间内汽化电离形成一个高温高压的等离子体层,该等离子体层迅速向外喷射,由于约束层的存在,等离子体的膨胀受到约束限制,从而导致等离子体压力迅速升高,并施于靶材表面一个冲击加载,当激光诱导产生的冲击波峰值压力值大于材料的动态屈服强度时,在金属靶材强化区域的材料发生动态屈服和塑性变形,产生残余压应力,同时产生密集、均匀以及稳定的位错结构,从而达到改善材料强度、耐磨性、耐腐蚀性和提高疲劳寿命的目的。图3.1激光冲击强化示意图Fig3.1DiagramofLSP整个激光冲击强化过程可分为三个阶段:1)靶材表面吸收高能激光能量并汽化;2)等离子体形成高压冲击波并加载于靶材表面;3)靶材表面动态响应而产生塑性变形。在此过程中,由于有能量吸收层的“牺牲”作用,而激光冲击的时间极短,保护了工件表面不受到激光的热损伤,故热学效应可以忽略不计,因而激光冲击强化工艺可归为冷加工工艺【34蒋】与常规强化工艺(如喷丸、挤压、滚压、撞击强化等)相比,激光冲击强化技术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,具有如下突出优点:（1）能量高,脉冲短,作用时间短(冲击波作用时间仅为几十ns),加热与冷却速度快,热影响区域小,基本表现为力效应。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200℃,仅能保持几十纳秒,应变速率高,较机械喷丸高出10000倍,比爆炸成形高出100倍。（2）较高的冲击波压力(峰值压力达GPa量级),能产生高密度位错组织,获得更大的残余压应力和更深的强化层,强化效果更明显。美国学者Hackel等人对镍合金Incone1718材料进行对比实验的结果表明,激光喷丸产生的压应力层深度机械喷丸的3~4倍[35蒋]。（3）非常好的保持冲击强化区域的尺寸精度和形貌。而机械喷丸后会存在很大的表面粗糙度使得表面需要祛除，减少了残余压应力层深度而使得达不到很好的表面强化效果。（4）可对不规则工件、薄件、小孔边、焊缝等复杂空间结构强化而挤压、机械喷丸只能对平面或规则回转面进行处理。（5）抑制裂纹的形成及降低裂纹扩展速率的效果显著，提高材料的使用寿命，同时能改善关键部位的耐磨损、抗腐蚀等表面性能。（6）非接触、无渗入和无沉积污染,无需像机械喷丸那样清理弹丸,绿色环保。