學位論文版權使用授權書刪洲帥m 叭1 1 1 1 1 m 啷y 18 9 5 2 8 1江蘇大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館、中國學術期刊( 光盤版)電子雜志社有權保留本人所送交學位論文的復印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。本人電子文檔的內容和紙質論文的內容相一致，允許論文被查閱和借閱，同時授權中國科學技術信息研究所將本論文編入中國學位論文全文數據庫并向社會提供查詢，授權中國學術期刊( 光盤版) 電子雜志社將本論文編入中國優(yōu)秀博碩士學位論文全文數據庫并向社會提供查詢。論文的公布( 包括刊登) 授權江蘇大學研究生處辦理。本學位論文屬于不保密一。學位論文作者簽名：氟訝皇殉j 1 年占月jo 日艚獅妣鋤民咩仝，lf 年6 其l 。b激光沖擊對航空鋁合金表面強化機制和疲勞性能的影響e f f e c t so fl a s e rs h o c kp r o c e s s i n go i ls u r f a c es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s ma n df a t i g u ep r o p e r t yo f-l-a v i a t i o na l u m i n u ma l l o y s姓2 0 1 1 年6 月江蘇大激光沖擊技術是近年來快理能使材料表面產生有利的殘擴展，從而延長零件的服役壽命。為了深入了解激光沖擊對材料微觀組織和性能的影響和鋁合金材料在激光沖擊超高應變率非平衡形變條件下冷塑性形變強化的機理，利用輸出波長為1 0 6 4 n m 、脈沖寬度為2 0 n s 的釹玻璃y a g 激光，探索了多晶純鋁和富含第二相的砧c u m g 系和c u 辦系航空鋁合金在激光沖擊下的微結構演變、通過測試力學性能和殘余應力，分析了其微結構演變特征和強化機理，研究了激光沖擊對提高c u m g 航空鋁合金疲勞壽命的影響。試驗結果表明：多晶純鋁在激光沖擊作用下，隨沖擊次數增多，位錯數量急劇增加；由于純鋁中缺陷和位錯釘扎源較少，位錯擴展較少干擾或阻礙，位錯形貌由極有規(guī)律的平衡態(tài)位錯網絡向復雜網絡形態(tài)轉化。舢一c u m g 和砧c u z i l 鋁合金在激光沖擊后，晶粒明顯細化；大量彌散分布的第二相與基體具有半共格關系，在第二相周圍萌生配位性位錯和空位等現象；由于第二相的釘扎作用，阻礙位錯運動，在基體觀察到密集的位錯網絡以及位錯胞；在兩種鋁合金中還觀察到激光沖擊誘導的納晶化現象。表面殘余應力測試和顯微硬度測量結果表明，激光沖擊可在試驗材料表面產生明顯的殘余壓應力，最高可達1 6 5m p a ；材料表面硬度也有較大提高，提高幅度達到3 0 以上。純鋁和鋁合金激光沖擊效果的比較表明：改善幅度與第二相強化和基體的固溶強化關系密切。借助t e m 透射電鏡觀察及h r e m 高分辨像，在納米尺度范圍內表征了鋁合金激光沖擊的微結構演變過程，從位錯和空位機制探討了激光沖擊強化應變屏蔽現象的微觀機理。結果表明，激光沖擊區(qū)域位錯組態(tài)豐富；位錯墻細化晶粒；在激光沖擊超高應變率作用下，在形成大量位錯的同時，伴隨形成相應的空位；空位和位錯的交互作用加劇了晶格畸變，提高了第三類內應力，激光沖擊誘發(fā)的晶格內復雜的位錯組態(tài)和晶格畸變以及納晶化效應成為表面硬度和殘余應力提高的主因。激光沖擊誘導的納晶化是超高應變率和超高能量作用下的晶粒碎化與晶內缺陷共同作用的結果。激光沖擊對航空鋁合金表面強化機制和疲勞性能的影響疲勞試驗結果表明激光沖擊明顯提高2 a 0 2 鋁合金的低周疲勞壽命，激光沖擊強化試件的疲勞壽命是普通試件的1 8 3 5 。2 8 8 2 倍。激光沖擊表面強化和殘余壓應力可改變拉應力載荷下試樣的截面應力分布，使表層應力低于材料的屈服極限。斷口分析表明激光沖擊強化試樣的低周疲勞紋更加細密，擠壓脊為其重要微觀特征，在疲勞應變過程中可產生“循環(huán)硬化”效應，有效抑n - 次裂紋的發(fā)生，有效改善材料的疲勞性能。關鍵詞：激光沖擊；鋁合金；微觀組織；納晶化；力學性能；殘余應力：疲勞斷口分析江蘇大學碩士學位論文a b s t r a c tl a s e rs h o c kp r o c e s s i n gi san e wm e a s u r et om o d i f yt h es u r f a c ep r o p e r t i e so fm a t e r i a l s i ti n d u c e sb e n e f i d a lr e s i d u a lc o m p r e s s i v es t r e s s ，w h i c hc a nr e d u c et h ep r o b a b i l i t yo ff a t i g u ec r a c k sa n ds u p p r e s st h ec r a c kp r o p a g a t i o ns ot h a tp r o l o n gt h es e r v i c el i f eo ft h ep a r t s i no r d e rt oi n s i g h tt h ee f f e c t so ft h el a s e rs h o c ko nm i c r o s t r u c t u r e ，p r o p e r t i e sa n dt ob e t t e ru n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo fc o l dp l a s t i cd e f o r m a t i o nr e i n f o r c e m e n tu n d e rt h ei m b a l a n c ed e f o r m a t i o no fh i 【g hs t r a i nr a t eb yl a s e rs h o c k , t h ep o l y c r y s t a lp u r ea l u m i n u ma n da i - c u - - m ga n da i - c u - z na v i a t i o na l u m i n u ma l l o yc o n t a i n i n gal o to fs e c o n d a r yp a r t i c l e sw e r ee x p l o r e db yt h en dg l a s sy a gl a s e rw i t t lt h e1 0 5 4 n mo u t p u tw a v e l e n g t ha n dt h e2 0n ss h o r tp u l s e b yt e s t i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dr e s i d u a ls t r e s s ，t h ec h a r a c t e ro fm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n dt h es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mw e r ea n a l y z e d , m e a n w h i l et h ee f f e c to fl a s e rs h o c ko ni m p r o v i n gt h ef a t i g u el i f eo f a l - c u m ga v i a t i o na l u m i n u ma l l o yw a sr e s e a r c h e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e d i s l o c a t i o na m o u n t so fp o l y c r y s t a l l i n ep u r ea l u m i n u mi n c r e a s e dw i t l lt h eg r o w t ho fs h o c kt i m e s ；o w i n gt ol e s so fd e f e c t sa n dd i s l o c a t i o np i n n i n gs o u r c e ，t h ed i s l o c a t i o nm o t i o nw a ss e l d o mo b s t r u c t e d ，a sw e l la st h ed i s l o c a t i o nt r a n s f o r m e dt h ee q u i l i b r i u ms t a t ed i s l o c a t i o nn e t w o r k si n t oc o m p l e xn e t w o r k s t h eg r a i n so ft h ea i c u m ga n da 1 - c u z na v i a t i o na l u m i n u ma l l o yw e r er e f i n e do b v i o u s l ya f t e rl a s e rs h o c k ；t h en u m e r o u sd i s p e r s e ds e c o n dp h a s e ，h a v i n gas e m i - c o h e r e n tr e l a t i o n s h i pw i t hm a t r i x ，w e r ea c c o m p a n i e db yc o o r d i n a t i o nd i s l o c a t i o n sa n dv a c a n c i e s ；b e c a u s eo ft h ep i n n i n go ft h es e c o n dp h a s e ，t h ed i s l o c a t i o nm o t i o nw a sh i n d e r e d ，s ot h a ti n t e n s i v ed i s l o c a t i o nn e t w o r ka n dd i s l o c a t i o nc e l l sc a l lb eo b s e r v e di nm a t r i x ；w h i l en a n o c r y s t a l l i n ei n d u c e db yl a s e rs h o c kc a na l s ob eo b s e r v e di 1 1 舢- c u - z na l u m i n u ma n da 1 一c u - m ga l u m i n u m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fr e s i d u a ls t r e s st e s ta n dm i c r o h a r d n e s sm e a s u r e m e n ts h o w e dt h a ta f t e rl a s e rs h o c kt h er e s i d u a lc o m p r e s s i v es t r e s sc a nr e a c hu pt o1 6 5m p a ,s i m u l t a n e o u s l y , t h es u r f a c eh a r d n e s so ft h em a t e r i a lc a ni n c r e a s et om o r et h a n3 1 t h ee f f e c t so fp u r ea l u m i n u ma n da l u m i n u ma l l o ya f t e rl a s e rs h o c ki n d i c a t e st h a tt h ei n激光沖擊對航空鋁合金表面強化機制和疲勞性能的影響e x t e n to fi m p r o v e m e n ti sc l o s e l yr e l a t e dt ot h es e c o n dp h a s es t r e n g t h e n i n ga n ds t r e n g t h e n i n gl e v e lo fs o l i ds o l u t i o ni nm a t r i x t h em i c r o s t m c t u r ee v o l u t i o np r o c e s so fa l u m i n u ma l l o ya f t e rl a s e rs h o c kw a so b s e r v e di nt h en a n o m e t c rr a n g ev i ai m a g e so ft e ma n dh r e m ，a n dt h e n ，i nt e r m so fd i s l o c a t i o na n dv a c a n c ym i c r o s c o p i cm e c h a n i s m ，s t r a i n - s c r e e n i n gp h e n o m e n o ni n d u c e db yl a s e rs h o c kw a sd i s c u s s e d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e r ea r ed i f f e r e n tt y p e so fd i s l o c a t i o nc o n f i g u r a t i o n si nt h el a s e rs h o c k e da r e a ；t h ed i s l o c a t i o nw a l l sr e f i n e do r i g i n a lg r a i n ；w i t ht h ef o r m a t i o no fd i s l o c a t i o n s ，an u m b e ro fv a c a n c i e sw e r ep r o d u c e da tt h es h o c k e da r e ao ft h es a m p l e sd u et ot h eu l t r a - h i 曲s t r a i nr a t eo fl a s e rs h o c k ；t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nv a c a n c ya n dd i s l o c a t i o ni n t e n s i f i e dl a t t i c ed i s t o r t i o nw h i l ei m p r o v e dt h et h i r di n t e r n a ls t r e s s ；t h ec o m p l e xd i s l o c a t i o nc o n f i g u r a t i o n ，l a t t i c ed i s t o r t i o n ，a n dn a n o c r y s t a li n d u c e db yl a s e rs h o c ki nl a t t i c eb e c a m et h em a i nr e a s o no fi m p r o v i n gs u r f a c eh a r d n e s sa n dr e s i d u a ls t r e s s t h en a n o - c r y s t a l l i z a t i o ni n d u c e db yl a s e rs h o c kw a sc a u s e db yu l t r a h i g hs t r a i nr a t ea n dg r a i nr e f i n e m e n tu n d e rt h ea c t i o no fl l i g he n e r g i e s t h er e s u l to ff a t i g u et e s td e m o n s t r a t e dt h a tt h el o wc y c l ef a t i g u el i f eo f2 a 0 2a l u m i n u ma l l o yw a si m p r o v e de f f e c t i v e l yb yl a s e rs h o c k , w h i c hc a ni n c r e a s ea s1 8 3 5 - 2 8 8 2t i m e sa 8t h en o n l a s e r - s h o c k e do n e b yo b t a i n i n gt h er e s i d u a ls t r e s sa n dl l i g hh a r d n e s so nt h es a m p l es u r f a c e ，t h ed i s t r i b u t i o no fs e c t i o ns t r e s sc a nb es i g n i f i c a n t l yc h a n g e d ，w h i c hc a nm a k et h es u r f a c es t r e s sl o w e rt h a ni t sy i e l dl i m i t f r a c t u r ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ef a t i g u es t r i a t i o n so fl o wc y c l es a m p l et h a tl a s e rs h o c k e db e c a m ef i n e a sa ni m p o r t a n tm i c r o c o s m i cc h a r a c t e r i s t i c ，t h ee x t r u s i o nr i d g ec o u l dp r o d u c ec y c l i ch a r d e n i n ge f f e c ti nf a t i g u es t r a i np r o c e s s ，e f f e c t i v e l ys u p p r e s s i n gt h eo c c u r r e n c eo fs e c o n d a r yc r a c k sa n di m p r o v i n gt h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a l k e yw o r d s ：l a s e rs h o c k ；a l u m i n u ma l l o y ；m i c r o s t r u c t u r e ；c r y s t a l l i z a t i o n ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；r e s i d u a ls t r e s s ；f a t i g u ef r a c t u r ea n a l y s i si v江蘇大學碩士學位論文第一章引言1 11 21 31 41 5第二章2 12 2目錄1激光沖擊技術的國內外發(fā)展現狀11 1 1國外發(fā)展現狀11 1 2 國內發(fā)展現狀31 1 3 激光沖擊的發(fā)展前景5激光沖擊技術61 2 1 激光沖擊處理的概述61 2 2 激光沖擊處理的過程7激光沖擊強化后的效果91 3 1 表面殘余應力。91 3 2 微觀組織的演變。1 01 3 3 表面硬度強度的影響1 1激光沖擊強化的優(yōu)點1 21 4 1 激光沖擊處理相比傳統(tǒng)工藝的優(yōu)點1 21 4 2 激光沖擊在材料加工中的優(yōu)點1 31 4 3 激光沖擊在處理航空結構件上的優(yōu)點1 3課題研究內容及目的1 4試驗材料與試驗方法1 5試驗材料1 52 1 1 多晶純鋁1 52 1 2a i c u m g 系鋁合金1 52 1 3a i c u z n 系鋁合金1 7試驗方法1 82 2 1 激光沖擊裝置1 82 2 2 激光沖擊試驗過程。1 82 2 3 殘余應力的測試2 02 2 4 硬度的測量2 02 2 5 組織表征2 02 2 6 疲勞試驗2 1第三章激光沖擊誘導的微觀組織演變3 1多晶純鋁激光沖擊結果2 23 1 1 激光沖擊多晶純鋁的表面形貌2 23 1 2 多晶純鋁沖擊后的組織演變2 2v激光沖擊對航空鋁合金表面強化機制和疲勞性能的影響3 23 33 4第四章4 14 24 34 4第五章乙如2 鋁合金激光沖擊結果2 73 2 12 a 0 2 鋁合金激光沖擊后的組織演變2 73 2 2 激光沖擊對2 a 0 2 中析出相和基體關系的影響3 07 0 5 0 鋁合金激光沖擊后的組織演變3 2本章小結3 5激光沖擊鋁合金的表面性能的影響。3 6激光沖擊對鋁合金殘余應力的影響3 6激光沖擊對鋁合金表面硬度的影響3 7激光沖擊后表面性能提高的原因3 9本章小結4 1激光沖擊強化的微觀機制5 1 激光沖擊誘導的位錯機制4 25 1 1 位錯的產生4 25 1 2 位錯組態(tài)4 45 2 激光沖擊誘導的空位機制4 85 2 1 空位的產生4 85 2 2 空位對激光沖擊效果的影響4 95 3 激光沖擊誘導的微納米化強化機制5 25 3 1 激光沖擊對鋁合金晶粒細化的影響5 25 3 2 激光沖擊形成納米晶的過程5 45 3 - 3 激光沖擊納米化的強化機理。5 45 4 本章小結5 6第六章激光沖擊對材料疲勞性能的影響。5 76 1 疲勞試驗結果及疲勞壽命域預測。5 76 2 疲勞斷口及疲勞行為分析5 96 3 疲勞性能提高的機理6 26 3 1 殘余壓應力的影響6 26 3 2 微觀組織的影響6 26 4 本章小結6 4第七章結論。6 5參考文獻。6 7j 變謝7 ：i攻讀碩士期間發(fā)表的論文。7 2v i第一章引言1 1激光沖擊技術的國內外發(fā)展現狀1 1 1國外發(fā)展現狀自二十世紀六十年代第一臺激光器在美國問世以來，激光技術得到了非常迅速發(fā)展。早在激光器誕生后短短的五年間，即六十年代早期，激光峰值功率就經歷了三次千倍的增長，從自由振蕩的k w 量級，到調q 激光的m w 量級，直到鎖模的g w 量級，同時激光脈寬也己大大縮短( 現已至f s 量級) 。許多學者從那時就開始對調q 激光照射在金屬靶上產生的應力波產生了興趣，并對其的應用做了初步的探索【l 。3 1 。a n d e r h o l m 和o 吧k e e f e 先后通過改變材料和加覆蓋層的辦法使得到的應力波提高了約1 個數量級【】，通過不斷的深入研究，c l a u e 等人發(fā)現在靶面加覆黑色涂層和透明約束層的結構能夠獲得較高的沖擊應力波【q 。激光器的快速發(fā)展使得大量的相關物理研究和激光技術的應用成為可能，其涉及的范圍也越來越廣，例如激光加工、激光醫(yī)療、激光材料處理、激光通訊、激光存儲、激光美容、激光印刷、激光分離同位素和激光檢測與計量等等1 7 堋。而激光沖擊處理( l a s e rs h o c kp r o c e s s i n g ，簡稱l s p ) n 是激光材料處理的一個重要前沿領域，是繼激光熱處理、激光打孔、激光焊接后又一新的強激光處理技術，這為強激光的發(fā)展注入了新的活力。隨著激光技術的不斷發(fā)展，激光沖擊強化處理技術的研究也不斷深入，并逐步進入了實際工程應用。六十年代后期，美國俄亥俄州的巴特爾紀念學院哥倫布實驗室( b a t t el i e sc o l u m b u sl a b o r a t o r i e s ，c o l u m b u s ，o h i o ) 最早對高功率激光束汽化金屬表面所形成的反沖擊力波進行了實驗演示，并以1 9 7 2 年該學院的b p f a i r a n d 和ah c l a u e r首次對7 0 7 5 航空鋁合金進行了激光沖擊表面強化處理作為研究起點【1 1 1 ，相繼對2 0 2 4 鋁合金、f e - 3 合金以及5 0 8 6 - h 3 2 和6 0 6 1 t 6 鋁合金焊區(qū)等材料進行了處理，均大大提高了材料的硬度、強度和疲勞性能，讓未來激光沖擊強化技術在航空工業(yè)中能得以應用 9 - 1 3 1 。在美國空軍飛行動力實驗室( 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 年該學院研究還發(fā)現，激光沖擊是延長裂紋萌生時間、降低裂紋擴展速度、提高飛機緊固孔疲勞壽命的有效手段f 1 4 1 。1 9 7 9 年，c l a u e r 等對不同時效狀態(tài)下的鋁合金進行激光沖擊處理，結果表明激光沖擊處理激光沖擊對航空鋁合金表面強化機制和疲勞性能的影響效果與沖擊條件、試件材料及其時效狀態(tài)有關【1 5 】。與此同時，美國國防工業(yè)中著名的洛克希德喬治亞公司在對7 0 7 5 t 6 和7 4 7 5 r 1 7 3 鋁合金的激光沖擊處理中也發(fā)現，激光沖擊處理可以有效提高鋁合金的疲勞抗力和裂紋擴展抗力【1 6 1 。同時b a n a s 也特別研究了激光沖擊強化技術對1 8 n i 合金鋼焊接區(qū)的硬度和疲勞強度的影響【1 7 1 。1 9 7 9 年以后，法國【1 8 1 和俄羅斯等航空工業(yè)發(fā)達國家也紛紛加入到激光沖擊處理實驗研究的行列，大大加快了此項技術向航空工業(yè)的推廣的速度。激光沖擊強化技術的實施要求有特別的激光器設備。1 9 8 0 1 9 8 6 期間，巴特爾紀念學院所采用的是調q 釹玻璃激光裝置，激光波長力= 1 0 6 4 n m ，一次脈沖輸出能量約4 0 1 0 0 j ，脈沖寬度約3 - - 一3 0 n s ，但重復頻率為每2 0 3 0 分鐘僅沖擊一次1 1 9 1 。1 9 8 6 年以后，法國的汽車和航空工業(yè)界為發(fā)展高效，清潔的激光沖擊處理的實用設備，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 t e r sd ep u i s s a n c e ) 實驗室進行了很多這方面的研究工作，所采用的仍是調q 釹玻璃激光器，直到1 9 9 0 年以后，重復頻率才提高到每2 - - 3 分鐘沖擊一次。由于釹玻璃激光器重復頻率低，激光沖擊技術一直難于進入到實際的工業(yè)應用領域。i _ a l p 實驗室近幾年便致力于發(fā)展利用準分子激光器進行激光沖擊處理，重復頻率高達5 h z ，然而準分子激光器的最大脈沖能量僅有5 1 0 j ，所以必須大幅度減小聚焦光斑的尺寸以達到所需的功率密度，而這限制了沖擊區(qū)域的大小。但對于小部件的沖擊處理，準分子激光器十分有效，如此一來，小能量激光沖擊成為了近幾年激光沖擊處理研究中的新熱點。為進一步提高重復頻率和激光功率密度，美國加州大學的勞倫斯里弗莫爾國家實驗室( 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 ) 與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 1 公司合作，開發(fā)出平均功率為6 0 0 w 、峰值功率3 g w 、重復率1 0 h z 的釹玻璃激光器，并用于噴汽發(fā)動機扇葉的沖擊強化剛。同時美國的g e 公司也正進行類似的研究開發(fā)，除渦輪風扇葉片外，還應用于t c 4 和因康鎳合金沖擊處理，都取得了良好強化效果。至此，勞倫斯里弗莫爾國家實驗室、m i c 公司和g e 公司的努力使得激光沖擊處理技術的工業(yè)應用又向前邁開了決定性的一步。1 9 9 5 年2 月，j e f fd u l a n e y 博士創(chuàng)立世界上目前唯一一家激光沖擊處理技術有蝴( l s pt e c h n o l o g i e s ，i n c ) ，向工業(yè)界提供優(yōu)質l s p 商業(yè)服務和商業(yè)設備，第一套激光沖擊處理設備于1 9 9 7 建成。自2 0 0 3 年起，美國空軍已經將激光沖擊處理技術應用于航空發(fā)動機的整體葉盤，到2 0 0 9 年，f 2 2 戰(zhàn)斗機上7 5 的整體葉盤都經過了激光沖擊處理。2 0 0 52年美國又將激光沖擊延壽逐步推廣到大型汽輪機、水輪機的葉片處理，石油管道，汽車關鍵部件減量化等。據報道僅僅石油管道焊縫的處理就達1 0 億美元以上的收益。近年來，核電行業(yè)發(fā)展迅速，但是核電設備的老化問題卻一直未能有效地解決。壓力容器焊縫的應力是解決核電設備老化問題的關鍵，日本東芝公司采用無吸收層激光沖擊處理，大大提高了激光沖擊處理后焊縫的抗腐蝕性能。目前，東芝公司所有的核電站都已應用了此項技術，并開發(fā)了可水下作業(yè)的激光器設備和光纖傳輸技術，能對矽9 5 r a m 的管道內壁進行強化【2 1 1 。此外，核廢料的儲藏和防止泄露也非常重要。大量的核廢料必須儲存在特制的容器中并焊接封存。核電是未來我國大力發(fā)展的方向，激光沖擊處理技術必將在核工業(yè)中大力應用。2 0 0 8年，波音7 4 7 8 客機的機翼壁板采用了激光沖擊成形技術，波音公司從m i c 公司購置了激光沖擊成形設備，該設備采用雙光路傳輸，地下傳輸光路長達4 5 m 2 2 1 。隨著激光沖擊成形技術的發(fā)展，該技術必將得到大面積應用。民用航空飛機發(fā)動機葉片經過激光沖擊處理后，提高了葉片的抗f o d 能力和飛機續(xù)航能力。截止2 0 0 8 年底，波音公司和空客公司的寬弦風扇葉片強化數量超過3 5 0 0 0 片；美國的石油、天然氣輸送管道焊接區(qū)采用激光沖擊處理技術，提高了管道的抗應力腐蝕疲勞壽命，預計將產生數十億美元的經濟效益；目前用于人體的醫(yī)療植入物，大多數為鈦合金制造，但是鈦合金的微動疲勞性能極差，而激光沖擊處理可將鈦合金的微動疲勞壽命提高1 0 2 5 倍。近年來，國外有很多學者在激光沖擊提高疲勞性能、有限元模擬、組織影響、微尺度激光沖擊方面做了大量研究 2 3 - 2 7 1 ，這些研究都極大推動了激光應用和理論的發(fā)展。1 1 2 國內發(fā)展現狀我國對激光沖擊技術的應用研究起步較晚但是發(fā)展迅速。主要的國內大功率激光裝置于2 0 世紀8 0 年代后期才進入實用階段，且數量極少，僅有的幾家單位是：中科院上海光機所、中國工程物理研究院和中國科大強激光研究所。這些激光系統(tǒng)的規(guī)模十分龐大，技術復雜，造價昂貴，這些條件限制了我國學者對激光沖擊技術的研究。1 9 9 0 年前后，我國學者也開展了激光沖擊波強化的機理及應用研究，1 9 8 8 年顧援【2 8 1 等人透過光學診斷技術間接地估算過激光沖擊波的壓力。1 9 9 2 年中國工程物理研究院的莊仕吲冽等人在銅、鋁及鈦合金中成功地進行了激光沖擊波在材料中引起層裂的實驗研究。從1 9 9 2 年起，南京航空航天大學與3激光沖擊對航空鋁合金表面強化機制和疲勞性能的影響中國科學技術大學相互合作，開展了航空結構抗疲勞斷裂的激光沖擊強化技術研究，對強激光產生的沖擊波及其對材料的強化機理、激光沖擊區(qū)的表面質量等進行了大量研究，首次創(chuàng)立了激光沖擊強化效果的直觀檢驗與控制方法。1 9 9 5 年，華中科技大學的鄒鴻承【刪等人用釔鋁石榴石固體激光器的小功率( 1 9 3 i 奶、小脈沖( 5 n s ) 、小光斑( 1 衄) 激光參數對l y l 2 c z 鋁合金進行多點訂合處理，使試樣的表面硬度提高5 倍，硬化層深度達0 1 - 0 2 m m 。同年，中國科技大學強激光研究所的吳鴻興和郭大浩等學者研制成功小型實用的激光沖擊強化裝置，其外形尺寸為0 6 m x1 8 8 m 0 6 m ，具備了在實際工程中推廣應用的價值( 激光裝置外形尺寸小于美國的同類產品l 。小型實用的激光沖擊裝置研制成功，加快了激光沖擊波技術工程應用的步伐【3 1 1 。近幾年來，江蘇大學在激光沖擊處理領域的研究也取得很好的成績，除了對碳鋼、航空鋁合金等材料的激光沖擊處理研究外，在激光沖擊處理技術的基礎上首次提出了激光沖擊成形的新概念并進行了系統(tǒng)的研究；首次提出了激光沖擊自由約束層的概念并進行了試驗研列3 2 1 。2 0 0 4 ，北京航空制造工程研究所鄒世坤，譚永生，中國科技大學郭大浩，王聲波等采用1 4 2 0 鋁鋰合金板材制作成中心圓孔疲勞試件和金相試件進行激光沖擊處理，結果發(fā)現，經激光沖擊處理后，鋁鋰合金表面沒有受強脈沖激光和沖擊波的破壞，而顯微硬度明顯提高，疲勞性能大幅度改善，激光沖擊處理后的強化區(qū)與光斑相當，深度約為1m m 。2 0 0 7 年空軍工程大學工程學院馬壯，李應紅，江蘇大學張永康，任旭東等【3 3 】，研究了自主研制的硅酸乙脂涂層與幾種常用吸收涂層對3 0 4 不銹鋼的硬度和表面殘余應力等沖擊力學性能的影響。經過激光連續(xù)沖擊后，在3 0 4 不銹鋼試件表面能形成l m m 厚的硬化層，其表面硬度最大到2 4 0 h v ；隨著激光功率密度的增強，其表面硬度逐漸增強；其表面殘余應力也隨著激光功率密度的增加而逐漸增大。2 0 0 8 年江蘇大任旭東，張永康，周建忠等研究了含有裂紋的金屬板料在激光沖擊波載荷作用下裂紋尖端應力強度因子和裂紋擴展速度的變化，利用斷裂力學理論，對激光沖擊加載下裂尖參數計算模型進行優(yōu)化，采用應力強度因子疊加法，將外加載荷引起的應力強度因子和激光沖擊后殘留的殘余壓應力引起的應力強度因子疊加，推導出下裂紋尖端應力場強度因子表達式，由此可精確計算出金屬板料的裂紋萌生壽命和裂紋擴展速度，實驗驗證了航空鈦合金t i 6 a 1 4 v 激光沖擊后殘余應力對裂紋擴展速度的影響，從而建立了激光沖擊作用對板料裂紋擴展的影響的理論模型【蚓。4江蘇大學碩士學位論文1 1 3 激光沖擊的發(fā)展前景隨著科學技術的發(fā)展，對精密機械零部件的精度、性能和壽命提出了越來越高的要求，其使用環(huán)境也變得越來越苛刻，許多機械結構必須在高溫、高壓、高磨損和高腐蝕的外部條件下使用。但零部件在加工過程中難免會出現各種裂紋和缺陷，應力集中區(qū)也應運而生，從而導致零部件的破損和失效。所以材料的表面處理顯得更為迫切。為此人們研究開發(fā)了各種表面處理技術來改善材料的表面性能，激光表面處理( 包括激光淬火、激光熱處理和激光沖擊處理等) 出于其本身的特性而受到科學界的重視，在汽車、機械、航空等工業(yè)領域得到了廣泛的推廣。而激光沖擊處理技術是繼激光熱處理、激光非晶化及激光毛化等處理技術之后，近些年迅速發(fā)展起來的一種新型激光材料表面改性表面處理技術。因其獨特的技術優(yōu)勢而更是倍受國內外科研人員的矚目。激光沖擊處理是當今高科技與傳統(tǒng)制造技術相結合的產物；是當代先進制造技術的前沿和重要發(fā)展方向；是現代國防工業(yè)、航空工業(yè)、汽車制造工業(yè)和武器裝備研制中不可缺少的特種加工技術。具有廣闊的應用前景。激光沖擊處理能有效地延緩疲勞裂紋的萌生，降低應力集中，提高材料疲勞壽命和耐磨性等機械性能。特別適合于處理有應力集中的局部疲勞件，如各種緊固孔、槽、圓角和焊縫等，可強化汽車上的連接桿、凸輪軸、曲桿、搖桿、齒輪、車軸；汽輪機中的葉片、凸輪盤；切削機床中的插銷和保持架：閥門用的特殊齒輪部件；各種精密扳手、精密儀器的關鍵部位；還可用來沖擊模具材料，使模具性能發(fā)生變化。在航空航天工業(yè)，更是具有特別重要的應用價值。目前飛機上所采用的緊固件數目極大，每架飛機上所采用的鉚釘就多達1 0 0 萬件以上。使用激光沖擊強化技術對飛機機體疲勞關鍵區(qū)、鉚釘緊固件等進行處理可有效延長飛機的使用壽命，提高飛機使用期內的安全性，所以激光沖擊強化技術僅在航空航天工業(yè)中得到推廣應用，就可獲得很大的經濟效益和社會效益。激光沖擊處理還可用來改變粉末材料的性能。可使疏松涂層局部變密或使粉木致密。特別在粉末冶金零件( 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 ) 致密化方面有著很好發(fā)展?jié)摿Α７勰┮苯鹆慵谛纬筛叱叽缇鹊膹碗s零件方面具有很大經濟優(yōu)勢，它們己廣泛應用于汽車工業(yè)、辦公和家庭機械、工具以及泵等方面。而根據應用需要，粉末冶金零件常常要要進行后繼處理以提高關鍵部位機械性能，激光5激光沖擊對航空鋁合金表面強化機制和疲勞性能的影響沖擊處理手段便是其中之一，并且它還特別適用于對承受機械行為的局部表面進行特別處理f 3 5 】。激光沖擊處理還可改善材料的非機械性能，如抗腐蝕性、延緩高溫氧化速度。總之，隨著研究的深入，激光沖擊處理的應用潛力將進一步為工業(yè)界所認識。1 2 激光沖擊技術1 2 1 激光沖擊處理的概述激光沖擊處理是一種利用激光的高能量和高密度對材料表面沖擊的一種技術。為了將激光能量轉化為一沖擊力學效應，一般要求在工件的待沖擊區(qū)域涂上一層不透光的材料作吸收層，吸收層在激光輻射下會等離子化而膨脹從而產生一高達數個g p a 的沖擊壓力。在吸收層外還需一層透明物質作約束層從而使等離子體受到約束得以使高應力作用于工件。當高功率密度、短脈沖的強激光穿過透明約束層照射到金屬材料表面的能量吸收層時，能量吸收層充分吸收高能激光的能量，而在極短時間內汽化電離形成一個高溫高壓的等離子層，該等離子層迅速向外噴射，由于約束層的存在，等離體的膨脹受到限制，導致等離子體壓力迅速升高，結果施與靶面一個沖擊加載，產生向金屬內部傳播的強沖擊波。由于這種沖擊波壓力高達數個g p a ，遠遠大于材料的動態(tài)屈服強度，從而使材料產生屈服和塑性變形，同時在沖擊區(qū)域產生殘余壓應力，改善工件的疲勞和耐腐蝕性能。在此過程中，由于有能量吸收層本身的“犧牲”作用，而激光沖擊的時間極短，保護了工件表面不受到激光的熱損傷，故熱學效應可以忽略不計，從而可以將激光沖擊強化工藝歸為冷加工工藝，而約束層的存在大大提高了等離子體沖擊波的壓力和作用時間。在激光脈沖作用期間，當其強度保持恒定時，施加于金屬靶面的沖擊波壓力維持一個平穩(wěn)階段。而在激光作用的后期，由于激光功率密度的減小，作用于表面的沖擊波壓力也隨之降低。因此在激光沖擊過程中，激光誘導的沖擊波壓力經歷了快速增強、保壓和衰減三個過程。圖1 - 1 為激光沖擊處理示意圖。6江蘇大學碩士學位論文t r a n s p a r e n to v e r l a yo p a q u eoverl(blackp a i n t ) 秒_ 。1 - 。_ 1 ?！?，it r a p p e dp l a s m a一一、1，g 一一。m e t a l l i ct a r g e t圖1 - 1 激光沖擊處理示意圖f i g 1 - 1t h es k e t c hm a po fl a s e rs h o c kp r o c e s s根據以上分析，可以把激光沖擊強化過程分成三個階段：靶面吸收層在激光作用下汽化成等離子體；等離子體形成高壓沖擊波加載于靶面；靶材動態(tài)響應而產生塑性變形。激光沖擊強化處理的實質就是沖擊波與材料相互作用的結果。吸收層的作用是：( 1 ) 提高對激光輻射能量的吸收能力；( 2 ) 增大壓力波的峰值壓力；( 3 ) 防止金屬表面的熔化和氣化。1 2 2 激光沖擊處理的過程在實現激光沖擊金屬材料的過程中，存在著兩種約束體系：一種是當激光束作用于材料表面涂層誘發(fā)沖擊波后，激光支持的爆轟波與材料表面相互作用時對可能造成的材料形變運動( 位移) 的約束，它與激光能量、約束層物質、受沖擊材料特性與應用目的密切相關。另一種是用來裝夾被沖擊件所需要的機械約束系統(tǒng)，其作用是保持工件穩(wěn)定和確保按設計的路線實施準確的沖擊，它由一套計算機自動控制的五軸聯動機構組成，可稱之為“工藝約束 。試樣在以玻璃作約束層時進行激光沖擊處理的裝夾如圖1 2 所示。廠 l ase fu圖1 - 2 激光沖擊機械約束示意圖f i g 1 2t h ei l l u s t r a t i o no fm e c h a n i c a lc o n s t r a i n tu p o nl a s e rs h o c k i n g7激光沖擊對航空鋁合金表面強化機制和疲勞性能的影響高頻率激光向金屬材料表面照射時，金屬材料的涂層將吸收激光能量而產生熔融與氣化，氣化的同時涂層急劇吸收激光能量并形成等離子體，激光沖擊成形主要利用等離子體爆轟產生的沖擊波壓力使金屬材料發(fā)生塑性變形，并且經激光沖擊后，金屬材料的力學性能也有所提高。激光沖擊處理過程主要是涂層吸收激光能量形成等離子體膨脹爆炸產生沖擊波壓力的過程。在激光沖擊過程中，激光與涂層作用產生沖擊波大致分為如下三個階段【3 6 l ：( 1 ) 部分等離子體形成在激光透過約束層時，在涂層表面厚度與激光波長同量級的薄層中產生光吸收，激光的輻照使涂層物質迅速氣化并向外噴濺，同時在噴濺的涂層中最先發(fā)生氣化并完全電離，形成等離子體，如圖1 3 所示。在涂層蒸氣溫度和密度較高的某些區(qū)域，可能發(fā)生入射光幾乎完全被等離子體吸收的情形，這時主要是逆軔致照射對吸收有貢獻，這種光吸收區(qū)前沿溫度和壓力驟然升高，形成流體力學的間斷點，即沖擊波。釤釤釤二c o n l i 4 e r n t- v a p o r i z e dc o n l l n e m n e n tv a p o r i z e dc o a t i n g，u n v a p o r l z e dc o 缸n g圖1 - 3 激光沖擊部分等離子形成時的示意圖f i g 1 - 3t h es k e t c ho fp l a s m ad e f o r m e di ne a r l ys t a g ei nl s p( 2 ) 等離子區(qū)域不斷擴大第一階段的部分等離子體形成之后，由于等離子體還會繼續(xù)吸收激光能量，使等離子體溫度達到極高，此時等離子體吸收驟然下降，對激光變?yōu)橥该鳎@樣就使后續(xù)激光能量又能重新輻照于未發(fā)生電離爆炸的涂層表面，造成新的激光吸收面和沖擊波陣面。( 3 ) 激光輻照結束設涂層電離氣化速度為v ，吸收層厚度為l 。由于脈沖激光作用于涂層時間是有限的，因此這一過程也是瞬時完成的。如果激光作用持續(xù)時間大于w ，則激光必然對工件表面產生燒損；如果激光作用持續(xù)時間小于w ，則涂層就會剩8江蘇大學碩士學位論文余；只有當激光作用