激光冲击强化工艺的影响因素.
激光冲击强化的应用及问题
激光冲击强化的应用及问题作者：罗成来源：《科学与财富》2018年第18期摘要：激光冲击强化技术（LSP）是利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的抗疲劳、抗腐蚀以及耐磨性能的新型技术。
本文在阅读了一定的相关文献后，对激光冲击强化的原理进行了简单描述，对激光冲击强化在高周疲劳和精密成型两个方面的应用进行了稍微提及。
同时，对激光冲击强化目前存在的问题笔者就自己的看法进行了提出。
关键词：LSP；高周疲劳；精密成型接触疲劳是两构件互相接触在力的作用下产生小片或小块状金属剥落而引起的表面失效。
随着科技的进步，激光冲击强化是近些年来越来越普遍的一种表面处理技术。
目前此种技术在各个国家都有应用，比如在美国，广泛应用于航空发动机关键结构件的表面强化。
一方面，它能提高金属的各方面性能，另一方面，它又能使得工序简单，影响小。
因此，它具有广阔的应用前景以及能产生巨大的经济效益。
激光冲击强化原理激光冲击强化原理图如下图所示，由高功率的脉冲激光通过约束层作用于目标材料的约束层上从而产生等离子体使得金属表面产生生塑性变形，获得表面残余压应力，从而提高材料的疲劳寿命强度。
目前，激光冲击强化技术的发展取得了巨大的成就，随着在某些领域零件的要求越来越苛刻，此项技术的应用领域也在与之同时的迅猛扩张，笔者主要介绍在高周疲劳与精密成形这两个领域的近期发展情况。
1.高周疲劳20世纪80年代，据美国调查，有95%以上的事故造成的原因都是由于疲劳断裂而引起的。
在20世纪初，美国首次在发动机叶片上应用成功并且专门设置了激光强化技术的生产线。
与国外相比，我国在激光强化方面起步较晚，但是一直以来，我国都没有停止过对激光冲击强化技术方面的研究，直到近些年来，我国才取得巨大的进展。
2008年在西安研究而成的连续脉冲激光冲击强化设备标志着我国拥有了使用激光冲击强化技术的能力。
2.精密成型既然激光冲击强化技术能够有效的改善提高金属的疲劳性能，自然而然的在精密成形方面会有巨大的应用前景。
激光冲击强化性能的影响因素
激光冲击强化性能的主要影响因素
课 程：激光加工质量性能检测 主讲教师： 高 尧
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教学目标
了解影响激光冲击强化效果的主要因素，掌握如何优化冲 击参数
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影响激光冲击强化性能的因素
由于激光冲击强化处理的冲击波是由等离子体产生的, 因此影响激光冲击强化处理效果的因素与产生等离子体的参 数有关,包括激光参数、金属材料表面特性、涂层、环境氛围 等,同时与约束层也有极大关系。在诸多因素中,激光参数、 涂层、约束层是主要的影响因素,实际冲击过程中冲击参数的 优化就是上述各因素的优化组合。
的物理机械性能来具体选择。
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激光脉宽
激光脉宽的大小对激光冲击处理效果有很大影响。激光冲击处理 后材料的塑性变形深度、表面残余压应力均与激光脉宽有关。冲击波脉 宽(激光脉宽的1.3倍)与靶的塑性变形深度成线性关系。因此从强化效 果的角度来看,采用较大的激光脉冲宽度可获得较好的强化效果然而过 大的激光脉冲宽度极易造成金属材料表面的热损伤,降低激光冲击处理
作业布置
作业
1.
激光冲击强化目前常用哪两种 约束层？
2. 吸收涂层在激光冲击强化技术
工艺中有什么作用？
吸收层
➢一是涂层在高能束激光作用下气化、爆炸产生了冲击波, 从而对金属工件起到强化作用。
➢二是涂层可以起到有效保护金属工件表面免受高能激光 束直接辐照产生表面“融蚀”从而改善了激光冲击后金属工 件表面质量。
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小结
激光功率密度 激光脉宽 约束层 吸收层
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激光等离子体冲击强化研究进展
化 技术 。激光冲击强化技术最初开 发于 ２ 世纪 ７ ｏ ｏ年代 材料表面物理及机械性能的技术 。在激 光冲击 波产生 后
初的美国贝尔实 验室 ， 国著 名物 理学 家钱 临 照教授 早 迅速膨胀的等离子 体被 限制 在金属 表面 和约束 层之 间 ， 我
塑 壅 竺 墨 ■ 垫 苎塑
蒸 最 形 同时在工件表面 产生 残余 应力 ， 防止 板料 发生 翘 曲等宏 量 ， 汽 温 度 继 续 升 高 ， 后 将 导 致 蒸 汽 分 子 电离 ，
成一种高温高压的 等离子体 。该 等离子 体吸收后续 激光 同和激光功率 密度的 不同 ， 光冲击 波 的压 力峰值 范围 激
从 尽管冲击后冲击 区表 面的粗 糙度 降 低 ， 但这 只 是附 带结 能 量 对 外 膨 胀 爆 炸 ， 而 形 成 冲 击 波 。根 据 激 光 形 式 不
开 发与研究
摘 要 ： 文 综 述 了 本 激 光 冲 击 强 化 技 术 的 机 理 和 模 型 ， 析 了 激 光 分 在 ６ Ｏ年 代 也 提 出 Байду номын сангаас 这 方 面 的 思 想 。 １ ７ ９２
年 ， 国 巴特 尔 学 院 美
湖 北 工 业 大 学 付 宏 涛
（Ｂ ｔｅｌ Ｍ ｅ ｒａ ａｔｌ ｅ ｍｏ ｉｌ Ｉ ｓｉ ｔ ｎ ｔ ｕｅ）的 Ｆ ｉ ｎ ｔ ａｒ ｄ ａ
ｏｃ Ｍａ ｕａｔ ｉ ｅｈ ｏｏ ｒｇａ ）取 ｕｎ ｇ 在 １ ￣２ ｎ 内将 光能转 变成冲击 波机 械能 ， ０ ０ｓ 实现 了能量 Ｆ ｒｅ ｎ ｆｃ ｒ ｇＴ ｃｎ ｌ ｙＰ ｏ ｒｍｓ ， 得 了 许 多 解 的高效利用 。并且 由于 激光 器的 重复频 率 只需几 Ｈｚ 以 重要进展 ， 决了提 高激光 冲击 强化生 产效 率和可 移动
激光冲击强化对TC4电子束焊缝机械性能的影响
Ａ ｓｒ ｃ ：Ｔ ｅ ｓｒ ｃ ｆＴ ４ ｔａ ｉｍ ａｌ ｅｄｎ ｉｅ ｂ ｌ ｔ ｎ ｂ ａ ｅｄｎ （ Ｂ ） ｗ ｓ ｂ ｔａ ｔ ｈ ｕｆ ｅ ｏ Ｃ ｉ ｎｕ ｌ ｙ ｗ ｌｉｇ ｌ ｙ ｅｅ ｒ ｅ ｍ ｗ ｌｉｇ Ｅ Ｗ ａ ｔ ｏ ｎ ｃｏ ａ ｐｏｅｓｄｂ ｉ ｏ ｅ —ｗｔ ｅ ｎ ｐ ｔｉｎｒｔ Ｎ ： Ａ ｓｒ ｆ ｃｓ ｆａｅ ｏ ｅ ｅ ｓｙｏ ｒｃ ｓ ｙｈ ｈｐ ｗ ｒ ｓ ｉ ｈ ｄａ ｄｒ ｅｉｏ — ｅ ｄ Ｙ Ｇ ｌ ｅ．Ｅ ｅ ｔ ｏ ｓｒ ｗ ｒ ｎｉ ｎ ｅ ｓ Ｑ ｃ ｅ ｔ ａ ａ ｌ ｐ ｄ ｔ ｒｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｎ ｉｒ—ａｄ ｅｓｏ ｔｅＴ Ａ ａ ｏ ｅ ｉｇｌ ｅｂ ａｅ ｈｃ ｒｃｓ ｎ Ｌ Ｐ）ｗ ｒ ｅｉ ａ ｓ ｅｓａ ｄｍ ｃｏｈ ｒｎ ｓ ｆ ｈ Ｃ ｌ ｙｗ ｌ ｎ ｎ ｙｌ ｒｓｏｋｐｏｅｓ ｇ（ Ｓ ｄ ｒ ｌ ｄ ｉ ｓ ｉ ｅｅ
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第２ ７卷 第 ３期
２０ ０６年 ５月
江 苏 大 学 学 报（ 然 科 学 版） 自
Ｊｕｎｌｏ ｉ ｇｕ Ｕ ｉ ｒ ｔ（ ａｕａ ＳｉｎｅＥ ｉｏ ） ｏｒａ ｆＪ ｎｓ ｎｖ ｓ ｙ Ｎ ｔｒｌ ｃｅｃ ｄｔ ｎ ａ ｅｉ ｉ
光斑 直径 小于 ６ ３ａｍ， 焊缝 残 余应 力 分布 变化 显著 ， 随 着激 光 光 斑 直径 的 减 小 ， 余 压 应 力的数 并 残
值 增 大更加 明显 ． 当激 光冲 击的 功 率密度 大 于 １ Ｗ／ ｍ ８ Ｇ ｃ 时 ， 光 冲 击 强化 处理使 电 子束 焊 缝 区 激 的 残余 应 力改 变明显 ， 改善 了焊缝 残 余应 力 的分 布 ； 当激 光冲 击 的功率 密度 大于 １ Ｗ／ ｍ ２ Ｇ ｃ 时 ， 激
激光冲击强化诱导的残余应力影响因素分析
第37卷 第10期中 国 激 光Vo l.37,N o.102010年10月CHINESE JO URNAL OF LASERSOctober,2010文章编号:0258 7025(2010)10 2632 06激光冲击强化诱导的残余应力影响因素分析吴先前 黄晨光 宋宏伟(中国科学院力学研究所,北京100190)摘要 考虑激光冲击强化后塑性区深度及最大残余压应力的影响因素和影响规律问题,运用量纲分析的方法获得了影响冲击强化效果的主控因素,并给出了塑性区深度及最大残余压应力与峰值压力、压力持续时间、光斑半径的关系;利用基于L S-DY NA 的二维轴对称有限元模型,计算了不同参数条件下金属靶体受冲击载荷作用的动态响应。
计算结果表明,塑性区深度与压力持续时间成正比;最大残余压应力与压力持续时间无关;一定光斑半径范围内,塑性区深度及最大残余压应力与光斑半径无关;峰值压力超过一定值时,塑性区深度及最大残余压应力与峰值压力近似成线性关系。
关键词 激光技术;激光冲击强化;塑性区深度;残余压应力;量纲分析中图分类号 T N 249;T G156.99 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20103710.2632Parameters Analysis of Residual Stre ss Inducedby Laser Shock Proce ssingWu Xianqian Huang Chenguang So ng Hongwei(In st itu te of M echan ics ,Chin ese Aca dem y of Sciences ,Beijin g 100190,Chin a )Abstract The paper focuses on the influencing pa rameters to the plastically affected depth and maximum residual stress in the metallic target a fter laser shock proc essing.Firstly,the dim ensional ana lysis m ethod is employed to find the controlling parameters,and the relationships of plastically affected depth,maximum residual stress versus peak pressure,pressure duration and laser spot size are given.Secondly,a two -dimensional axisymmetric finite element m odel based on LS -DYNA package is built,and the dynamic responses of metallic target subject to la ser shock processing are computed with different input parameters.The result shows that the plastica lly affected depth is proportional to pressure duration,and the maximum residual stress is independent with it,but both of them are not affec ted by laser spot size within a certain range,while they have approximate linear relationship with pea k pressure after reaching to a certain level.Key word s laser technique;laser shock processing;plastica lly affected depth;residual stress;dimensional analysis收稿日期:2010 01 13;收到修改稿日期:2010 03 02基金项目:国家自然科学基金(10972228)和中国科学院科研装备研制项目(YZ200930)资助课题。
激光冲击强化对变形控制的影响研究
激光冲击强化对变形控制的影响研究一、激光冲击强化技术概述激光冲击强化技术是一种利用高能激光脉冲对材料表面进行处理的先进表面改性技术。
该技术通过激光与材料表面的相互作用，产生高速等离子体，进而对材料表面施加冲击波，以改善材料的表面性能。
激光冲击强化技术能够有效提高材料的疲劳寿命、抗腐蚀性和耐磨性，因此在航空航天、汽车制造、能源工业等领域得到了广泛的应用。
1.1 激光冲击强化技术原理激光冲击强化技术的核心原理是利用高能激光脉冲在材料表面产生等离子体，等离子体的膨胀产生冲击波，这些冲击波穿透材料表面，引起材料内部的塑性变形，从而实现材料表面的强化。
激光冲击强化过程中，材料表面的温度升高，但不会超过材料的熔点，因此不会对材料造成热损伤。
1.2 激光冲击强化技术的应用场景激光冲击强化技术的应用场景非常广泛，主要包括以下几个方面：- 航空航天：在航空航天领域，激光冲击强化技术被用于提高飞机发动机叶片、外壳等关键部件的疲劳寿命和抗腐蚀性。
- 汽车制造：在汽车制造领域，激光冲击强化技术可以提高汽车发动机部件、传动系统等的耐磨性和抗疲劳性能。
- 能源工业：在能源工业，激光冲击强化技术用于提高风力发电机叶片、核电站压力容器等设备的耐久性。
二、激光冲击强化对变形控制的影响激光冲击强化技术在提高材料性能的同时，也对材料的变形控制产生了重要影响。
通过对材料表面进行精确的激光冲击处理，可以实现对材料变形的有效控制，这对于精密制造和结构设计具有重要意义。
2.1 激光冲击强化对材料微观结构的影响激光冲击强化过程中，材料表面受到冲击波的作用，导致材料内部的微观结构发生变化。
这些变化包括晶粒细化、位错密度增加、相变等，这些微观结构的变化直接影响材料的宏观力学性能，如硬度、韧性和疲劳强度。
2.2 激光冲击强化对材料表面粗糙度的影响激光冲击强化技术在改善材料表面性能的同时，也会对材料表面粗糙度产生影响。
激光冲击处理后的表面粗糙度通常会降低，这是因为激光冲击波能够去除材料表面的缺陷和不平整，从而实现表面平滑化。
激光冲击强化对金属材料疲劳寿命的影响及应用
激光冲击强化对金属材料疲劳寿命的影响及应用本文从激光冲击强化材料表面致使金属材料表面形成残余应力、改变金属材料的微观组织结构机理两个角度阐释了激光冲击强化过程中材料的表面抗疲劳性能得以进一步改良的本质原因。
并举例说明了激光冲击强化技术在各范围的应用，指出了探究激光冲击强化时的重点及难点，简单描述了其发展趋势。
标签：激光冲击强化；表面改性；疲劳寿命0 引言金属材料疲劳失效一般发生在材料应力集中程度较大的表面或是含有杂质、缺陷的内部。
对于受扭转、弯曲、剪切及其组合变形的零件而言，疲劳裂纹往往起源于材料表面。
因此，改善金属材料的表面质量、强化其表面性能，增强机械零部件的性能和寿命成为国内外学者研究的重点。
激光表面强化技术具有功率密度高、加工灵活、操作方便无污染等优势，因此，被广泛应用于工业制造领域。
其中，激光冲击强化被普遍地用来提高金属原材料的疲劳寿命。
激光冲击强化是在极为短暂的时间（纳秒级）内将激光束照射在金属材料的表面，迫使材料表面产生等离子体，并利用等离子体膨胀的过程对金属产生强烈的冲击。
这一冲击过程将使材料因产生晶体点缺陷、位错或则孪晶而得以强化[1]，如图1。
1 激光冲击强化形成金属材料表面残余应力层传统的喷丸技术是在被处理的金属表面形成一层较薄的残余压应力，其被证实能够限制疲劳裂纹扩展的速率。
但是，传统技术应变较大，且形成的残余应力层较薄，而激光冲击在非常高的应变率下能以较小的应变形成大于一毫米的残余应变层。
Dane.C.等[2]通过比较Inconel718合金经喷丸技术和激光冲击处理后的残余应力分布图2，得出激光冲击均优于喷丸技术的结论。
激光冲击形成的残余压应力与金属材料、涂层、激光束的尺寸等都息息相关：用不同的材料来作为吸收层所得到的残余应力分布不同，根据Hong，X [3]的研究结果显示黑漆作为吸收材料能更好的吸收激光能束；涂层是用来吸收更多的冲击波使金属产生塑性变形，一般而言涂层的选择是根据介质的光传播速度和密度，研究表明水是最适合的涂层，但是涂层与残余应力场的具体关系仍然没有相关报道。
TC4_钛合金选区激光熔化与层间激光冲击强化复合工艺
第15卷第11期精密成形工程2023年11月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING31TC4钛合金选区激光熔化与层间激光冲击强化复合工艺段煜松1,2，席乃园1，李新志1，方学伟1，黄科1,2*，肖浩3，易飞3，井龑东4（1.西安交通大学机械工程学院，西安 710000；2.钒钛资源综合利用国家重点实验室，四川攀枝花 617000；3.中交二航局技术中心，武汉430040；4.热机械冶金实验室洛桑联邦理工大学，纳沙泰尔 CH-2002）摘要：目的改善激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）工艺成形的TC4合金的内部缺陷，提高疲劳寿命。
方法选用TC4钛合金为研究对象，提出了SLM结合层间激光冲击（3D-Laser Shock Peening，3D-LSP）与热处理的强化工艺，对复合制造工艺下的微观组织、内部缺陷和力学性能演变进行了研究，并建立了复合强化工艺制造样品的疲劳寿命模型。
结果在激光冲击影响区域内形成了0.2 mm深度的高幅值残余压应力，并在1 mm深度范围内改善了应力场，且显微硬度得到了提升，内部缺陷数量减少了36%，疲劳寿命提升了40%以上。
结论实现了SLM增材制造TC4钛合金的缺陷在线闭合、微观组织改性和疲劳寿命的提升，揭示了层间激光冲击对内部缺陷的闭合机理，为金属SLM复合增材制造的研究与应用奠定了理论基础。
关键词：选区激光熔化；层间激光冲击；TC4合金；缺陷；疲劳寿命；后处理DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.011.004中图分类号：TG146.2+3 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)011-0031-08Preparation of TC4 Titanium Alloy via Hybrid Additive Manufacturing Process Combining Laser Shock Peening and Selective Laser MeltingDUAN Yu-song1,2, XI Nai-yuan1, LI Xin-zhi1, F ANG Xue-wei1, HUANG Ke1,2*, XIAO Hao3, YI Fei3, JING Yan-dong4(1. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710000, China; 2. State Key Laboratory ofVanadium and Titanium Resources Comprehensive Utilization, Sichuan Panzhizhua 617000, China; 3. CCCC Second Harbor Engineering Company Ltd., Wuhan 430040, China; 4. Thermomechanical Metallurgy Laboratory-PX Group Chair, EcolePolytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Neuchâtel CH-2002, Switzerland)ABSTRACT: The work aims to improve internal defects and fatigue life of TC4 alloy molded by Selective Laser Melting (SLM) process. With TC4 titanium alloy as the research object, a hybrid strengthening process of SLM interlayer laser shocking peen-ing (3D-LSP) and heat treatment was proposed to study the microstructure, internal defects and mechanical properties evolution under the composite manufacturing process, and establish the fatigue life model of the samples manufactured by the composite strengthening process. High-amplitude residual compressive stress was formed at a depth of 0.2 mm, and the stress field was improved at a depth of 1 mm, while the microhardness was increased, the number of internal defects was reduced by 36%, and收稿日期：2023-09-10Received：2023-09-10引文格式：段煜松, 席乃园, 李新志, 等. TC4钛合金选区激光熔化与层间激光冲击强化复合工艺[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 31-38.DUAN Yu-song, XI Nai-yuan, LI Xin-zhi, et al. Preparation of TC4 Titanium Alloy via Hybrid Additive Manufacturing Process Combining Laser Shock Peening and Selective Laser Melting[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 31-38. *通信作者（Corresponding author）32精密成形工程 2023年11月the fatigue life was increased by more than 40%. This study achieves online defect closure, microstructure customization and fa-tigue life enhancement of TC4 titanium alloy by SLM composite additive manufacturing and reveals the closure mechanism of internal defects caused by interlayer laser shock peening, further laying the theoretical foundation for the research and applica-tion of SLM composite additive manufacturing of metals.KEY WORDS: selective laser melting; interlayer laser shock peening; TC4 titanium alloy; fatigue life; post treatment选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）是目前研究极为广泛的一种金属增材制造工艺[1]，可成形传统制造工艺难以成形的复杂构件，具有广阔的应用前景[2-3]。
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课程名称：激光表面改性技术 主讲人：徐临超 浙江工贸职业技术学院
激光冲击强化工艺的影响因素
课程目标： 掌握激光冲击强化的概念及影响激光冲 击强化工艺的因素。
激光冲击强化工艺的影响因素
1 激光冲击强化的概念
利用短脉冲（几纳秒到几十纳秒）的高峰 值功率密度（>109W/cm2）的激光辐射金属 表面，产生高温（>107K）、高压（>GPa） 的等离子体，该等离子体受到约束层的约束 产生高温应力波冲击金属表面，并向内部传 播，在材料表面产生塑性变形，形成残余应 力，从而提高材料的强度、硬度和疲劳性能 的表面改性工艺技术。
2 激光冲击强化的影响因素
（3）约束层
激光脉冲产生的压力场与其在作用区持续时间和温度的关系
1—在镀铝的锌材上涂覆石英层 2—在铝材上涂覆石英层
激光冲击强化工艺的影响因素
课程小结
激光冲击强化概念 利用短脉冲（几纳秒到几十纳秒）的高峰值功率密度 （>109W/cm2）的激光辐射金属表面，产生高温 （>107K）、高压（>GPa）的等离子体，该等离子体受到 约束层的约束产生高温应力波冲击金属表面，并向内部传 播，在材料表面产生塑性变形，形成残余应力，从而提高 材料的强度、硬度和疲劳性能的表面改性工艺技术。
激光冲击强化的影响因素
（1）激光的波形和振幅 （2）被加热气体的热过程 （3）约束层
激光冲击强化工艺的影响因素
作业
思考题 1. 影响激光冲击强化效果的因素有哪些？ 2. 激光冲击强化工艺的激光功率密度不小于多少？ 为什么？
激光冲击强化工艺的影响因素
2 激光冲击强化的影响因素
（1）激光的波形、振幅 （2）被加热气体的热过程（氛围） 当激光功率密度>2*109W/cm2时，对具有不同吸收特性的任何材料，所产生的冲 击波峰值压力影响不大； 当激光功率密度下降到1*109W/cm2时，难以产生冲击强