钛合金激光冲击强化技术的研究与应用
激光冲击强化的原理和应用
激光冲击强化的原理和应用1. 引言激光冲击强化是一种基于激光技术的金属表面处理方法，通过激光的高能量和高浓度束流对金属材料进行瞬间加热和快速冷却，以改善材料的力学性能和表面硬度。
本文将介绍激光冲击强化的原理和应用领域。
2. 原理激光冲击强化的原理基于激光在材料表面的作用。
当激光束照射到金属表面时，激光能量会被吸收并转化为热能。
这种热能的瞬时加热会导致局部温度升高，从而引起材料的熔化和损伤。
随后，激光在热膨胀过程中产生冷却速度快的凝固区域，通过迅速冷却可使凝固区域内的晶粒细化和固态相变等宏观结构改变发生。
这些结构改变可以显著提高材料的力学性能和表面硬度。
3. 应用领域激光冲击强化技术在以下几个方面得到了广泛应用：3.1 金属材料加工激光冲击强化可用于提高金属材料的抗疲劳性能和抗磨损性能。
通过激光冲击强化处理，金属材料的表面硬度可以明显提高，从而延长其使用寿命。
这在航空航天、汽车制造和机械加工等领域具有重要的应用价值。
3.2 电子器件制造激光冲击强化技术也可以用于电子器件的制造。
例如，在半导体行业中，激光冲击强化可以提高电子器件的导电性能和耐磨性能，从而提高整个电子器件的性能和可靠性。
此外，激光冲击强化还可以用于制造微电子器件和纳米器件。
3.3 医疗领域激光冲击强化技术在医疗领域也有重要应用。
例如，在人工关节和牙科种植领域，激光冲击强化可以提高金属和陶瓷材料的力学性能，从而增加人工关节的使用寿命和牙科种植的成功率。
此外，激光冲击强化还可以用于制造骨科植入物和医疗器械的表面处理。
3.4 其他应用领域除了以上几个主要应用领域外，激光冲击强化技术还在其他一些领域得到了应用。
例如，在船舶制造和海洋工程中，激光冲击强化可以提高金属材料的耐腐蚀性能和抗氧化性能，从而延长船舶的使用寿命。
在建筑领域，激光冲击强化可以用于加固建筑物的结构材料，提高抗震能力。
4. 结论激光冲击强化是一种基于激光技术的金属表面处理方法，通过激光的高能量和高浓度束流对金属材料进行瞬间加热和快速冷却，以改善材料的力学性能和表面硬度。
激光冲击强化应变率
激光冲击强化应变率1. 引言激光冲击强化应变率是一种利用激光技术对材料进行表面处理的方法，通过激光的高能量密度和短脉冲宽度，可以在材料表面产生高应变率，从而改善材料的力学性能。
本文将对激光冲击强化应变率的原理、方法以及在材料科学领域的应用进行详细介绍。
2. 激光冲击强化应变率的原理激光冲击强化应变率的原理基于激光与材料相互作用的过程。
当激光束照射到材料表面时，激光能量会迅速转化为热能，产生局部高温区域。
随后，由于激光的高能量密度和短脉冲宽度，材料表面会发生瞬时膨胀和冷却，形成高应变率的应力波。
这种应力波可以通过材料的弹性变形、塑性变形或相变等方式传播到材料的内部，从而引起材料的微观结构改变。
通过控制激光的能量密度、脉冲宽度和照射方式等参数，可以实现对应变率的精确控制。
3. 激光冲击强化应变率的方法激光冲击强化应变率的方法主要包括激光冲击强化、激光冲击合金化和激光冲击复合处理等。
3.1 激光冲击强化激光冲击强化是将激光束照射到材料表面，通过激光的高能量密度和短脉冲宽度产生高应变率的应力波，从而改善材料的力学性能。
这种方法可以增加材料的硬度、强度和耐磨性等。
3.2 激光冲击合金化激光冲击合金化是在材料表面形成合金层，通过激光的高能量密度和短脉冲宽度使合金元素在材料表面熔化和混合。
这种方法可以改善材料的耐腐蚀性、耐磨性和高温性能等。
3.3 激光冲击复合处理激光冲击复合处理是将激光冲击强化和激光冲击合金化相结合，通过激光的高能量密度和短脉冲宽度实现材料表面的多种改性效果。
这种方法可以在一次处理中实现多种性能的改善，提高材料的综合性能。
4. 激光冲击强化应变率在材料科学中的应用激光冲击强化应变率在材料科学领域有广泛的应用，以下是其中几个典型的应用案例。
4.1 金属材料的强化激光冲击强化应变率可以提高金属材料的硬度和强度。
通过控制激光的能量密度和脉冲宽度等参数，可以在金属材料表面形成高应变率的应力波，从而引起材料的微观结构改变，提高其力学性能。
激光冲击强化对熔覆后TC4钛合金性能的提高
激光冲击强化技术的发展及应用
学、 空军 工程 大学 等一 些高 等 院校和 科研 院所 ＿ ２。 ２ ５ 其 ］ －
中 ， 京 航 空 航 天 大学 的研 究 比较 早 ， 国 内具 有 一 南 在 定开创 性 。２ ０世 纪 ９ ０年代 中期 中 国科 学 技术 大学 强 激光 技 术 研 究 所研 制 出 了 国 内首 台实 验 用 的 激 光 冲 击 处理 机 ， 次研 究 建立 了根 据 冲击 区表 面质 量 特征 首
调 ．并对强 化位置 的表 面粗糙 度和尺 寸精度 基本 没有 影 响 ； 不 规则 工 件 、 对 薄件 、 孑 边 强化 也 很 有 效 ； ） 小 Ｌ ６ 对 消 除焊 缝 和激 光 熔 覆 等 处 理后 的残 余 拉 应 力 很 有
效 。与其 它消 除残 余拉 应 力 的方 法 比 ， 激光 冲 击强 化
的强 化 机 理 、 关键 技 术 、 套设 备 和在 航 空 发 动 机上 成
的应 用工 艺进 行 了大量 研 究 ． 主要 研 究 内容 和成 果 如
显 微 结构组 织 以提 高 其力 学 性能 ， 此 揭开 了用激 光 从
冲击 强化 应用 研 究 的序 幕 Ｅ］ 世 纪 ９ ｌ。上 ｏ ０年 代 在美 国 高 频疲 劳研 究 国家计 划等 支持 下 ， 国利 佛 莫尔 国家 美 实 验 室 和 Ｇ Ｍ Ｃ公 司 等 联 合 深入 开 展 了激 光 冲 击 Ｅ、 Ｉ
理 、 面涂 层约 束 层应 用 和 强化 工况
激 光 冲击 强 化 技 术 最 初 开 发 于 ２ Ｏ世 纪 ７ ０年代 初 的 美 国贝 尔 实 验 室 。 １７ ９ ２年 ，美 国 巴特 尔 学 院
了一 系列 系统 而 富有 创 新性 的研 究 ｇ ３ ， 受 到设 备 ２ｏ但 ７］ －
激光冲击强化TC4_钛合金强化层弹塑性本构参数反演分析
第52卷第10期表面技术2023年10月SURFACE TECHNOLOGY·411·激光冲击强化TC4钛合金强化层弹塑性本构参数反演分析王淑娜，伏培林，李嘉伟，张旭，阚前华*（西南交通大学 力学与航空航天学院 应用力学与结构安全四川省重点试验室，成都 611756）摘要：目的获取TC4钛合金激光冲击强化层的弹塑性本构模型参数，结合纳米压痕试验和有限元模拟技术，进行激光冲击强化TC4钛合金的材料参数反演计算。
方法首先，在TC4钛合金试样侧面沿强化层深度方向进行纳米压痕测试，获得距表面不同距离处的载荷-压入深度曲线。
进而，基于幂律应变硬化模型，通过无量纲方程和有限元模拟反演得到激光冲击强化TC4钛合金梯度强化层的弹塑性参数。
最后，将反演获得的弹塑性本构模型材料参数用于有限元模拟，将模拟结果与试验结果进行对比，验证参数反演结果的合理性。
结果强化层表面的弹性模量和纳米硬度较母材分别提高了11%和30%，强化层内的应变硬化指数和屈服强度沿深度方向分别递增和递减。
模拟的载荷-压入深度曲线与试验曲线吻合较好，最大压入载荷、弹性模量和纳米硬度的模拟误差分别小于1%、7%和3%，证实了参数反演结果的合理性。
结论通过无量纲方程反演算法得到的强化层本构参数有较强的可信度。
激光冲击强化可有效提升TC4钛合金的表面力学性能，强化层的本构参数呈梯度分布，表面的抗塑性变形能力大幅提升。
关键词：TC4钛合金；激光冲击强化；纳米压痕；无量纲分析；反演分析；有限元模拟中图分类号：TG146.2+3 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)10-0411-11DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.10.037Reverse Analysis of Elasto-plastic Constitutive Parameters of Strengthening Layer for Laser Shock Processing TC4 Titanium AlloysWANG Shu-na, FU Pei-lin, LI Jia-wei, ZHANG Xu, KAN Qian-hua*(Applied Mechanics and Structure Safety Key Laboratory of Sichuan Province, School of Mechanicsand Aerospace Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China)ABSTRACT: Laser shock processing (LSP) can form a strengthening layer with a gradient structure on the surface of parts, and thus improves the fatigue life. It is of great significance to obtain the elasto-plastic parameters of TC4 titanium alloy after LSP for the fatigue life prediction. However, there are few reports on the determination of elasto-plastic parameters of LSP TC4 titanium alloy. The reverse algorithm combining the nano-indentation experiments with finite element simulation is an effective method to obtain the constitutive parameters of the thin strengthening layer. Therefore, employing the nano-indentation experiments and finite element simulation, the reverse analysis of the LSP TC4 titanium alloy was conducted to determine the收稿日期：2022-09-02；修订日期：2023-03-10Received：2022-09-02；Revised：2023-03-10基金项目：国家自然科学基金（12072295，12192214，11872321）Fund：National Natural Science Foundation of China (12072295, 12192214, 11872321)引文格式：王淑娜, 伏培林, 李嘉伟, 等. 激光冲击强化TC4钛合金强化层弹塑性本构参数反演分析[J]. 表面技术, 2023, 52(10): 411-421. WANG Shu-na, FU Pei-lin, LI Jia-wei, et al. Reverse Analysis of Elasto-plastic Constitutive Parameters of Strengthening Layer for Laser Shock Processing TC4 Titanium Alloys[J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 411-421.*通信作者（Corresponding author）·412·表面技术 2023年10月elasto-plastic parameters. First, the nano-indentation experiments of the LSP TC4 titanium alloy specimen were carried out based on the Nano indenter G200 nano-indentation experimental apparatus with the Berkovich diamond indenter, and the indentation depth of 1 000 nm was set by the displacement-controlled method. Then the nano-indentation experiments were carried out on a single side of specimen along the depth direction of the strengthening layer, and the corresponding load-displacement curves at different distances from the surface were obtained. Subsequently, the distributions of elastic modulus and nano-hardness along the depth direction of the strengthening layer were obtained after using the Oliver-Pharr method to determine the unloading stiffness and the reduced modulus from the unloading curves. Then, following the power-law strain hardening assumption, the yield stress and strain hardening index of the surface strengthening layer were determined by numerically solvingthe dimensionless equations of the representative stress, the ratio of plastic work to total work, and the ratio of residual depth to pressing depth, respectively. Therefore, the elasto-plastic parameters of the surface strengthening layer of LSP TC4 titanium alloy were obtained. Finally, the elasto-plastic parameters obtained by the reverse analysis were introduced toa two-dimensional axisymmetric nano-indentation finite element model. The effectiveness of the reverse analysis was verifiedby comparing the simulated results with the corresponding experimental results, which took into account the load-displacement curves as well as the variations of elastic modulus and nano-hardness with the distance from the surface. The obtained results showed that the elastic modulus, nano-hardness, yield stress and hardening index possessed a varying distribution along the thickness direction of the strengthening layer (about 300 μm). The surface elastic modulus, nano-hardness and yield stress of the strengthening layer reached 121.2 GPa, 5.0 GPa and 1 396.4 MPa, which were 11%, 30% and 55% higher than that of the substrate, respectively. However, the strain hardening index increased gradually along the depth direction, and the index at the substrate and the surface of the strengthening layer were 0.252 and 0.167, respectively. Additionally, the simulated load- displacement curves agreed with the experimental curves well, and the relative errors of the maximum load, elastic modulus and nano-hardness were less than 1%, 7% and 3%, respectively, demonstrating the effectiveness of the reverse analysis. The calculated results could be great helpful to the fatigue life prediction and the further optimization of LSP process parameters.KEY WORDS: TC4 titanium alloy; laser shock processing; nano-indentation; dimensionless analysis; reverse analysis; finite element simulationTC4钛合金（Ti-6Al-4V）因具有比强度高、耐热性高、耐蚀性好、密度小等特点而广泛应用在船舶、航空航天、车辆工程、生物医学等[1-6]领域。
激光冲击强化对TC17表面硬度的影响
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第 １期 ２０１２年 １月
文章编号 ：１００１—３９９７（２０１２）０１—０１９８—０３
激光冲击强化对 ＴＣ １ ７表 面硬度 的影响
聂祥 樊 龙霓 东 刘海 雷 何 卫锋 李启鹏 （空军工程 大学 工程学 院 ，西安 ７１００３８）
与零部件发生磨损 ，因而称为冲刷磨损Ｉｌｌ。由于沙尘的硬度远远大 的涂层时 ，涂层吸收激光能量迅速气化并形成大量稠密的高温等
于钛合金叶片的硬度 ，所以这种冲刷磨损属于硬磨粒磨损 ，磨损 离子体 ，该等离子体在约束层的约束下继续吸收激光能量急剧升 率较高 。ＴＣ１７钛合金叶片作为某型飞机 的重要构件 ，经常因为受 温膨胀 ，然后爆炸形成高强度 冲击波作用于金属表面。这种 高压
强化提高 ＴＣ１７材料硬度的机理进行 了分析 。
的新 型表面处理技术 ，已成功应用于多种重要材料 的表面强化 ，
★来稿 日期 ：２０ｌ１＿０３—１７ － ／￣基金项 目：国防预研基金资助项 目（５１３２７０１）
大部分被抛光去除，圆滑的凹缺陷不会对纱线进行拉毛、割断，也不 表面质量得到一定 的改善 ，但 凹缺陷基本无抛光效果 ，去除齐肩 会影响纱线脱圈，此抛光方法对齐肩部位的表面质量有一定提高。 部位的冲压痕迹效果不明显。
关键词：ＴＣ１７钛合金 ；冲刷磨损 ；激光冲击强化 ；表面纳米化 ；高密度位错 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｕｎｄｅｒ ｓｅｖｅｒｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｖａｒｔｅ ｏｆａｃｒｏｅｎ￣ｎｅ，ｍａｄｅ ｏｆ ＴＣ１７ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｗｉｔｈ ｐｏｏｒ ｗｅｏｌ＂ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．ｉｓ ｐｒｏｎｅ ｔｏ ｒｅｓｕｈ ｉｎ ａｆａｔｉｇｕｅ ｒｕｐｔｕｒｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｗａｓｈｉｎｇ ａｂｒａ ｓｉｏｎ．Ｂｙ ｍａｋｉｎｇ ｅ ｏ ｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｓｈｏｃｋ Ｐｅｅｎｉｎｇ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏ ｆ ｔｈｅ ｍａ ｔｅｒｉａ ｌ ｉｓ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｒｅｓｕｈｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａ ｔ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ ｙ ｃａｎ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｂｏｏｓｔ ｕｐ ｔｈｅ ｗｅａｌ＂ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｉｔ ｉｓ ｋｎｏｗｎｆｒｏｍ ｈａｒｄ－ ｎｅｓｓ ｔｅｓｔｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｈｏｃｋ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ ４ＧＷ／ｃｍｚ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ ｓｈｏｃｋｓ ｉｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｐ０－ ｒａｍｅｔｅｒｆｏｒ ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｏｆＴＣ１７ ｔｉｔａ ｎ ｉｕｍ ａ ｌｌｏｙ．Ｔｈｅ ｈａ ｒｄｎ ｅｓｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ １０％ ｗｉｔｈ帆 ａｆｅｃｔｅｄ ｌａｙｅｒ ａｂｏｖｅ １ｍｍ ｔｈｉｃｋ．Ｔｈｅ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａ ｌｌｉｚａ ｔｉｏｎ ｏ ｆ ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｉｎ ｔｈｅ ＳＵｒ ｆａ ｃｅ ｌａｙｅｒ ａ ｎｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｄｅｎｓｉ－ ｔｙｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｈｙｐｏ－ｓｕｒ ｆａ ｃｅ ｌａｙｅｒａ ｒｅ ｔｈｅ ｄｏｍｉｎａ ｔｉｎｇ ｃａｕｓａ ｔｉｏｎｆｏｒｈａ ｒｄｎ ｅｓｓ ｉｍｐｒｏ ｖｅｍｅｎｔ．
激光冲击强化对片层TC11钛合金组织和性能的影响
激光冲击强化对片层TC11钛合金组织和性能的影响陈正阁;武永丽;薛全喜;熊毅;王淏【期刊名称】《表面技术》【年(卷),期】2022(51)7【摘要】目的提高TC11钛合金的使役性能,对LSP技术在钛合金航空构件上的推广应用提供试验依据和技术支撑。
方法利用激光冲击强化(LSP)技术对片层组织的TC11钛合金进行表面纳米化处理,激光能量为6 J,脉宽为20 ns,光斑直径为3 mm,搭接率为50%。
借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线应力分析仪、显微硬度计及拉伸试验机对TC11钛合金LSP前后的微观组织及力学性能进行表征。
结果经LSP处理后,在TC11钛合金表层形成了梯度纳米结构,其中外表层晶粒尺寸约为10 nm,形变层厚度约为200μm;在次表层组织中形成了大量位错缠结、形变孪晶及层错等晶体亚结构缺陷。
LSP后钛合金表层存在着最大残余压应力(–267 MPa)和显微硬度值(425HV),且随着距表层距离的增大,相应的数值均呈现出逐渐减小的趋势。
此外,LSP后TC11钛合金的抗拉强度和屈服强度分别提高了19.4%、18.3%,但伸长率略有下降,断口形貌从典型的韧性断裂向准解理和韧性混合型断裂转变。
结论在LSP作用下获得的梯度纳米结构和残余压应力的共同作用下,TC11钛合金获得了良好的强度–塑性匹配。
【总页数】10页(P343-352)【作者】陈正阁;武永丽;薛全喜;熊毅;王淏【作者单位】西北核技术研究所;河南科技大学材料科学与工程学院;有色金属新材料与先进加工技术省部共建协同创新中心【正文语种】中文【中图分类】TG146.23【相关文献】1.氮气流量对TC11钛合金表面电火花原位反应沉积TiN强化层显微组织和摩擦学性能的影响2.不同冲击次数下激光冲击对TC11钛合金的影响研究3.氮气流量对TC11钛合金表面电火花原位反应沉积TiN强化层显微组织和摩擦学性能的影响4.Nd添加对激光增材制造TC11钛合金显微组织与拉伸性能的影响5.激光沉积及热处理工艺对TC11钛合金组织和性能的影响因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
激光冲击强化对TC4 钛合金表面TiN 涂层界面结合性能的影响
第51卷第3期表面技术2022年3月SURFACE TECHNOLOGY·315·激光冲击强化对TC4钛合金表面TiN涂层界面结合性能的影响徐硕，苏波泳，花国然，王恒，曹宇鹏（南通大学 机械工程学院，江苏 南通 226019）摘要：目的提高TC4钛合金与TiN涂层的结合强度。
方法通过实验研究的方法探索激光冲击强化对TC4钛合金表面TiN涂层界面结合性能的影响。
首先，采用不同激光冲击参数（光斑搭接率、功率密度）对其表面进行前处理。
利用Wyko NT 1100 型非接触式光学轮廓仪（NCOP）测量TC4钛合金试样的表面几何形貌和粗糙度。
利用X350A型X射线残余应力测定仪测量TC4钛合金表面残余应力。
利用HXD-1000TMSC/ LCD型显微硬度计测量冲击表面的显微硬度。
其次，采用离子镀膜技术在激光冲击区域制备TiN薄膜，并利用WS-2005型涂层附着力自动划痕仪测试TiN涂层与TC4钛合金的界面结合力，分析激光冲击前处理对TiN涂层界面结合性能的影响。
最后，通过摩擦磨损试验验证激光冲击强化前处理改善涂层界面结合性能的有效性。
结果在动态加载载荷为50 N、加载速率为50 N/min、划痕长度为4 mm的测试条件下，未经激光冲击处理的TiN涂层与基体的结合力为28.9 N，经激光冲击前处理后A1—A5试样的结合力分别提升至32.3、33.2、34.9、36.8、39.6 N，前处理对界面结合力的提升幅度分别为11.76%、14.88%、20.76%、27.34%、37.02%。
在试验负载为7.5 N、往复行程为5 mm、往复频率为2 Hz、测试时间为25 min的干摩擦条件下，A1—A5试样的磨损率分别降至3.79×10‒5、9.8×10‒6、8.82×10‒6、4.32×10‒6、1.24×10‒6 mm3/(N·m)。
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钛合金激光冲击强化技术的研究与应用赵恒章;侯红苗;贾蔚菊;李磊;洪权;毛小南【摘要】激光冲击强化是一种新型表面强化技术，能够在材料表层产生残余压应力，提高结构件的疲劳强度、表面硬度，延长其疲劳寿命，在钛合金结构件中应用前景广阔。
介绍了激光冲击强化的基本原理和特点，并结合国外研究现状，着重分析了我国钛合金激光冲击强化技术在工艺基础研究以及提高疲劳强度、改善焊缝应力状态、表面纳米化、强化孔结构、修复及再制造受损件等方面的研究现状，并指出了该技术在钛合金工程化应用方面需解决的关键问题。
%Laser shock peening ( LSP ) is a novel surface treatment technique which is capable of introducing compressive residual stress near the surface layers of the materials , then the fatigue properties and surface strength of the alloy can be improved largely .In this paper , the basic principle and characterization of LSP was introduced , the research situation of the LSP in the field of fatigue strength , improve the stress state of welding seam , nanocrystalline , pore structure strengthening , repair and remanufacturing were analyzed deeply .Finally , the key problems that needed resolved for the engineering application of LSP in titanium alloys were pointed out .【期刊名称】《钛工业进展》【年(卷),期】2016(033)004【总页数】5页(P7-11)【关键词】钛合金;激光冲击;表面强化;应用【作者】赵恒章;侯红苗;贾蔚菊;李磊;洪权;毛小南【作者单位】西北有色金属研究院，陕西西安 710016;西北有色金属研究院，陕西西安 710016;西北有色金属研究院，陕西西安 710016;西北有色金属研究院，陕西西安710016;西北有色金属研究院，陕西西安710016;西北有色金属研究院，陕西西安 710016【正文语种】中文【中图分类】TG146.2+3钛合金是重要的结构材料，因具有无磁、轻质、比强度高和耐蚀等特点，且易于满足轻量化、强韧化和低能耗等要求而被广泛应用。
然而，钛合金具有较高的缺口敏感性，结构件易发生疲劳断裂现象。
因此如何提高钛合金结构件的疲劳强度，延长其服役寿命，备受人们关注。
激光冲击强化技术是利用激光诱导产生的高功率密度应力波，使金属表面层产生塑性变形，导致位错密度增加，产生残余压应力，从而提高硬度和疲劳寿命等性能的新型表面强化方法[1-5]。
我国在激光冲击强化技术研究方面已经取得了一定成果，近年来已开始在钛合金方面进行探索性研究。
本文介绍了激光冲击强化的基本原理和特点，总结了激光冲击强化技术在工艺研究和应用研究方面取得的成果，指出了我国激光冲击强化技术存在的问题和发展方向，为该技术在钛合金中的应用提供参考。
1.1 激光冲击强化的基本原理激光冲击(Laser shock peening，LSP)又称激光喷丸(Laser peening)，其过程如图1所示。
在激光冲击过程中，高功率密度、短脉冲的激光束辐照到工件，吸收层充分吸收能量在极短时间内(ns量级)形成一个高温高压的等离子体层，受约束层约束，等离子体层积聚到一定密度和厚度时发生爆炸形成冲击波。
冲击波峰值压力一般为数个GPa[6]。
激光冲击强化是利用强激光诱导的高达数GPa的冲击波压力使材料表层以极高的应变速率发生变形和动态屈服，产生微观塑性变形，形成残余压应力层和硬化层，同时伴随位错、孪晶等晶体缺陷的产生。
激光冲击强化产生的残余压应力和硬化层能够明显的延缓裂纹的萌生，而位错密度的增高和位错缠结使材料的屈服强度获得提高，进一步阻碍了位错的运动，增大了裂纹产生的阻力，从而使得材料表层获得强化，有效地改善了金属材料的力学性能，如疲劳寿命、硬度、耐磨性、抗外物损伤能力、热稳定性等[7-9]。
激光冲击属于机械应力，只是引起材料表面发生塑性变形。
然而这种作用力在时间和空间上都是非均匀、非线性的。
随着激光作用时间增加到一个脉宽，应力值也由零达到峰值，如图2所示。
应力与距光斑中心的距离符合高斯分布，最大应力值位于光斑的中心，应力值随距离光斑中心的远近而变化，距离光斑中心越近，应力值越大。
任意时刻、任一点的应力值可以由下面的公式来计算[10]：1.2 激光冲击强化的特点作为高能束加工技术，相对于传统强化技术，激光冲击强化优势十分明显，主要表现在以下几点[11-13]。
(1)激光冲击波的压力达到数GPa，能形成更深更大的残余压应力层，使材料表面晶粒细化甚至出现纳米晶粒。
冲击获得的残余压应力影响层可达1～2 mm，是喷丸的5～10倍。
(2)由于激光能精确控制和定位，光斑大小和形状可调，特别适合有应力集中的倒角、焊缝以及小孔、沟槽等部位的处理。
(3)激光冲击无热损伤，工艺参数可控，处理后基本不改变被处理零部件的表面光洁度。
因而更适合于对表面粗糙度和变形特别敏感的零部件，如发动机叶片。
20世纪90年代以前，激光冲击强化主要用于铝合金和钢结构件的研究，90年代后期，随着高功率激光器制备技术的突破，调Q技术以及锁模技术的成功应用，使激光冲击强化技术真正走到实用阶段。
美国于1997年建成了第一套用于商业应用的成套激光冲击强化系统，开始对TC4钛合金涡轮发动机叶片的激光冲击强化，以提高叶片表面压应力，取得了良好的强化效果[14]。
随后GE公司也开展了TC4钛合金涡扇发动机叶片的激光冲击强化应用研究，大幅度提高了其抗外物损伤能力和疲劳寿命。
2005年，研制激光冲击强化系统的MIC公司获得美国国防制造最高成就奖。
美国将该技术列为第四代战机发动机关键技术，足见该技术的实用价值[15]。
我国在“九五”期间，开展了2024铝合金、1Cr18Ni9Ti、GH30、TC4等材料的激光冲击试验，在铝合金、不锈钢等材料上取得了很好的试验效果，但由于当时激光器的峰值功率水平较低，未能有效强化钛合金[16]。
“十五”期间在提高激光器水平和优化工艺的基础上，TC4钛合金转子叶片的激光冲击试验获得了成功。
目前，我国钛合金的激光冲击强化技术仍处于理论研究和工程应用探索阶段，相当于美国20世纪80～90年代的水平。
2.1 钛合金激光冲击强化技术的工艺研究激光冲击强化技术分单次冲击和多次冲击，工艺参数包括脉冲能量、脉宽、光斑直径等。
乔红超等人[17]通过单次冲击研究了脉冲能量、约束层厚度、脉宽对TC4钛合金强化效果的影响，结果表明，材料表面硬度和残余压应力值随脉冲能量的增大而增大，水约束层厚度对残余压应力值也有较大影响，存在一个最佳厚度，脉宽达到一定值后，冲击效果不明显。
罗新民等人[18]分析了冲击过程中TC4钛合金微观组织的响应，指出了不同脉冲能量下，α相和β相有不同的形变强化机制，存在不同的位错增殖形式。
任旭东等人[19]对TC4钛合金进行了多次激光冲击，发现残余压应力随着冲击次数的增加而增大，但当冲击深度达到一定厚度时，继续增加冲击次数，残余应力增加的幅度不再明显。
激光冲击后TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度均获得了提高，且两者强度差也大于未进行冲击的试样。
Ti-17、TA15钛合金经多次激光冲击后表层的组织发生变化，形成了高密度位错，在相界附近有大量位错缠结、切割，交错分布[20-21]。
X射线布拉格衍射峰的宽化明显增强，说明材料表层发生了明显的塑性变形。
以上激光冲击研究结果表明，钛合金经激光冲击后在材料表层形成了残余压应力层，硬度和强度得到提高，组织得到细化。
对于钛合金，要获得高的残余压应力，激光冲击次数以3～5次为宜，继续增加冲击次数，对残余压应力贡献不大，反而会引起应力屏蔽。
钛合金单次冲击硬化层深度约200 μm，3～5次冲击后，硬化层深度能达到500 μm以上。
2.2 钛合金激光冲击强化技术的应用研究目前，激光冲击强化技术在钛合金中的应用主要集中在结构件疲劳寿命、高温钛合金热稳定性、焊缝表面应力状态改善、纳米化工程、微动疲劳及孔结构强化、损伤件的修复与再制造方面。
国内学者对激光冲击强化后的TC4、TC6、TiAl合金叶片、叶盘以及齿轮的高周、高温疲劳性能进行了研究[22-24]，结果表明，随温度的升高，材料表层的残余应力大幅度下降，但应变硬化表层和微观结构受温度的影响却非常小，在高温下保持下来的应变硬化和微观结构同样是疲劳增益的主要因素。
激光冲击强化后零件的疲劳寿命提高约2～6倍。
贾蔚菊等[25]研究了Ti834高温钛合金经激光冲击强化前后热稳定性能的变化，结果表明，经激光冲击强化后的试样在600 ℃×100 h热暴露后，相比未LSP处理试样，合金强度显著提高，但塑性进一步降低。
主要原因是材料表面增殖的位错为氧向基体内部扩散提供了更多的通道。
焊接接头是金属设备构件中的薄弱环节。
日本东芝公司将激光冲击强化技术用于核反应堆压力容器、管道接头等焊缝的抗应力腐蚀裂纹方面，其采用的是小能量小光斑(光斑φ0.8 mm，能量200 mJ，脉宽8 ns)、无吸收层的高搭接率工艺，极大的提高了焊缝抗应力腐蚀能力。
钛合金焊接方式有氩弧焊、激光焊、电子束焊接和等离子焊接。
研究表明[26-29]，钛合金焊后残余应力可达到屈服强度的50%～80%，高能束焊接后其焊接残余应力可达到屈服极限，这些残余应力表现为拉应力，严重影响接头寿命。
钛合金焊接接头经LSP处理后，热影响区硬度明显提高，焊缝表面应力状态发生改善，残余拉应力转变为压应力，降低了裂纹扩展的有效驱动力，因而可延长焊接接头的疲劳寿命。
多次LSP处理可使钛合金表层材料晶粒细化。
研究表明[30-32]，增加激光冲击次数有利于晶粒进一步细化，形成纳米晶，但冲击次数增加到一定程度，晶粒尺寸的变化不再明显，但表层纳米晶的均匀程度获得了提高。
TC11钛合金经激光冲击处理10次后，钛合金样品表层形成了一层平均尺寸为20～100 nm的纳米晶粒；TC6钛合金经3次激光处理后，主要形成100～200 nm亚微米晶粒，冲击5次后形成40 nm左右、均匀分布的晶粒。