江苏大学顶刊综述：金属材料激光冲击强化的挑战和未来趋势综述

　　导读：晶粒细化和排列是提高关键金属构件拉伸和疲劳性能的有效策略。激光冲击强化(LSP)是一种极端条件下的表面剧烈塑性变形方法，具有高压(1 GPa-1 TPa)、高能(大于1 GW)、超快(不超过纳秒级)、超高应变率(大于106 s?1)四个显着特征，并在表层产生较深的压缩残余应力(CRS)场，形成梯度纳米结构，防止金属材料和合金的裂纹萌生。广泛应用于航空航天、超载车辆、海洋工程、核电等领域。近二十年来，尽管LSP对金属材料和合金的表面完整性、微观组织演变和力学性能进行了一些研究，但对LSP诱导的金属材料和合金的微观组织演变和力学性能缺乏全面的研究。进一步分析了金属材料和合金的力学性能与LSP工艺参数之间的关系。特别是，本文首次对面心立方、体心立方和六角形密排金属三种晶体结构中lsp诱导的特征微观结构和晶粒细化机制进行了阐述和总结。此外，本文还重点介绍了一些新兴的混合LSP技术和典型的工业应用。最后，列出了未来10-20年面临的挑战和未来趋势，并进行了讨论。目前的研究结果表明，LSP作为一种新兴的表面改性技术，已经越来越多地应用于金属部件的表层。这些主题的讨论可以为表面改性和先进激光制造领域的研究人员和工程师提供一些重要的见解。

　　一个国家的技术和经济潜力通常是根据其高精度航空航天工业来定义的[1]。飞机和航天器的关键和重要结构部件处于极其恶劣的环境中，因此，它们需要超强的承载能力、极端的耐热性、超轻的重量和高可靠性。然而，这种具有所需结构特性和性能的高性能部件的加工、材料选择和结构设计是一个相当大的挑战。为了开发具有高推重比的轻型航空发动机，人们探索了各种轻质航空合金，包括镍基、钛基和铝基合金，这些合金具有高强度和耐高温性能。超过50%的航空发动机部件故障是由金属材料的疲劳和腐蚀引起的。为了提高航空发动机关键部件的抗疲劳性和耐腐蚀性，不涉及材料和结构设计修改的表面严重塑性变形(S2PD)技术已成为主要方法。S2PD是一种表面改性技术，通过对金属材料表面的冲击或一定的压力接触，引起弹塑性变形，产生压缩残余应力(CRS)、加工硬化和子结构细化等有益效果。它包括激光冲击强化(LSP)、搅拌摩擦强化(FSP)和喷丸强化(SP)，可以根据相应的应变速率进行区分。图1a显示了应变速率与表面晶粒度以及CRS深度之间的关系。随着应变速率的增加，CRS深度增加，表面晶粒尺寸减小，甚至达到纳米尺度，导致梯度纳米结构(GNSs)的形成。GNS改性是调节材料强度与塑性协调的重要方法。通过变形产生纳米晶体的关键因素是高应变速率。因此，高应变速率是S2PD技术制备GNSs的重要标准。作为一种典型的高应变率S2PD技术，LSP可以用于制造GNSs和修改关键部件的性能，这是本文的主要研究对象。

　　在LSP中，金属材料使用短脉冲(纳秒级，甚至皮秒级和飞秒级)和高功率(GW/cm2)激光照射。表面涂层的吸收层吸收能量并爆炸蒸发，产生高温(107 K)和高压(GPa)等离子体。等离子体继续吸收激光能量，经历剧烈的向外膨胀，然后形成激光冲击波(LSW)。当等离子体压力超过金属材料的Hugoniot弹性极限(HEL)时，金属材料发生动态塑性变形。LSP技术的原理如图1b所示。LSP可以将金属材料的晶粒细化到亚微米或纳米尺度，并采用“自上而下”的晶粒细化方法生产GNS。这种晶粒细化过程伴随着各种晶格缺陷的形成和独特的微观结构特征。此外，LSP可以产生更深一层的CRS。LSP诱导的这两种特性共同提高了金属材料的疲劳性能和耐腐蚀性。与SP、冷轧等传统S2PD技术相比，LSP具有以下优点:(1)强化效果好，残余应力层深;(2)可用性好，处理后可直接应用;(3)工艺参数和处理区域精确可控。

　　LSP因其易于适用于金属材料，从而提高了力学性能而被广泛应用。LSP经过60年的不断发展，现已广泛应用于航空航天、核电、交通运输、生物医学等领域的先进器件制造。20世纪90年代末，美国在航空发动机高周疲劳(HCF)研究项目中将LSP列为第一项工艺技术。采用LSP技术后，F-35的疲劳寿命提高了2.5倍，显着提高了飞机的可靠性。LSP是美国第四代航空发动机的关键制造技术。金属材料LSP的基本方面可分为三个阶段:(1)第一阶段(1970 - 1983年)重点研究LSW的产生机理和LSP诱导的残余应力沿深度和疲劳抗力方向的分布特征;(2)第二阶段(1984年至2009年)强调表面完整性与性能之间的联系。Fabbro等人推导了LSW诱导的CRS分布模型。(3)第三阶段(2010年至今)主要研究材料-工艺-微观结构-性能关系。Lu等系统地研究了具有不同细胞结构的金属材料的lsp诱导晶粒细化机制，包括体心立方(BCC)、面心立方(FCC)和六边形密堆积(HCP)结构。lsp诱导纳米结晶和均匀强化的概念最早由Lu等人提出。此外，LSP方法目前被用于修饰现有材料，以及设计和合成具有先进性能的新材料和亚稳相，并与理论研究相结合。

　　然而，由于极端环境的日益严重，LSP作为单一的机械场作用受到重大挑战的限制。LSP技术的新发展有望为未来的商业应用制造大尺寸或特殊形状的金属部件。多场能量辅助LSP技术是LSP技术的关键发展方向，可以同步或异步地引入新的能量领域，如温度、电力、机械等领域。2011年Cheng等研究发现，经过热激光冲击强化(WLSP)处理后，CRS在高温循环载荷下保持了稳定性，不同金属材料的延展性得到了显着提高。2017年，lain2000μm的CRS层。Kalentics等人和Lu等人提出了三维激光冲击强化(3D-LSP)技术，其中使用增材制造(AM)和激光冲击强化(LSP)交替实现逐层作用。3D-LSP在调节增材制造部件的孔隙率、残余应力分布和微观结构以及同步金属材料的强度和韧性方面非常有效。

　　值得注意的是，近年来已经发表了一些与LSP技术相关的综述。本文综述了LSP技术对材料力学性能和商业应用的影响。此外，文献对LSP的在线评估与监测技术进行了综述。然而，对lsp诱导的微观结构演变的研究还没有得到足够的重视。因此，对于lsp诱导的特征组织及其演化机制，以及金属材料和合金的拉伸疲劳性能的改善，目前还缺乏更广泛和全面的总结。近二十年来，激光器件的快速发展，由于塑性变形的突破，带来了一些新的LSP工程应用。因此，由于相关微观结构表征技术的发展，lsp诱导的微观结构演变已成为一个重要的话题。此外，近十年来出现了新兴的能量场辅助LSP技术。物理能量场耦合LSW的力学效应是新型的激光强化方法，如WLSP技术、低温激光冲击强化(CLSP)技术和复合LSP技术，使材料的显微组织、拉伸和疲劳性能有了新的改善。但是这些新的LSP技术和基于LSW的新型制造方法目前还没有得到总结。

　　本研究的目的是为近二十年来lsp诱导的金属材料和合金的显微组织演变和力学性能提供一个全面的视角。分析了金属材料和合金的力学性能与LSP工艺参数之间的关系。特别是，我们首次提出并总结了lsp诱导的某些晶体结构(如FCC、HCP和BCC金属)的特征微观结构和晶粒细化机制。此外，本文还重点介绍了一些新兴的混合LSP技术和典型的工业应用。最后，对面临的挑战和未来发展趋势进行了讨论。

　　图1.表面严重塑性变形(S2PD)技术。(a) S2PD技术在压残余应力深度、晶粒尺寸和应变速率方面的总结;(b)激光冲击强化示意图。

　　1963年，White和Askaryan等相继发现用短脉冲激光束撞击固体表面可以产生弹性波。此后，LSP技术的研究得到了广泛的关注。图3给出了LSP技术的原理图及其特点。单个LSP过程包括三个主要阶段:加热、绝热冷却和有限目标的宏观运动。

　　图7.激光冲击强化(LSP)诱导压缩残余应力(CRS)的原理:(a)激光冲击强化(LSP)诱导塑性变形与峰值压力的函数关系;(b)激光激波(LSW)的组成，以及CRS的产生示意图:(c) LSW与靶标的相互作用，(d) LSW消失后的CRS。

　　图8.激光冲击强化(LSP)引起的残余压应力随激光冲击强化工艺参数的变化规律(a)激光脉冲宽度，(b)激光功率密度，(c)激光光斑尺寸，(d)冲击次数，(e)重迭率，(f)扫描方式。

　　图9.激光冲击强化扫描模式。(a)三种典型的LSP扫描模式。(a1)建成状态，(a2) X-Y扫描，(a3) Y-X扫描，(a4) l -螺旋扫描;(b)不燃烧目标材料的新型LSP扫描模式。

　　图11.激光冲击强化诱导高层错能LY2铝合金的位错细化[24]。(a)不同深度的典型显微图;(b)显微结构演化示意图。

　　本文系统回顾了激光冲击强化(LSP)技术及其典型工程应用，全面介绍了激光冲击强化的基本原理、表面完整性、微观结构演变过程和新型混合激光冲击强化技术。重点讨论了三种晶体结构中lsp诱导晶粒细化的机理，以及未来10-20年面临的挑战和发展趋势。重要结论如下:与传统的表面强塑性变形技术相比，LSP是一种新兴的、极具发展前景的极端条件下强塑性变形技术，它能产生更深的压缩残余应力场，并在表层形成梯度纳米结构，防止金属构件的裂纹萌生。近二十年来lsp诱导金属材料和合金表面完整性、力学性能的综合研究。系统地介绍了lsp诱导的三种晶体结构(面心立方、体心立方和六角形密排金属)的特征微观结构及其演变过程。总结了位错运动、孪晶分裂和马氏体相变等塑性变形方法。根据金属材料和合金的晶体结构和层错能，首次提出了5种lsp诱导纳米结构。由于能量场辅助的优势，如温度场、电场和机械场等，一些新的能量场辅助LSP技术被开发出来，如混合LSP技术(X-LSP)、组合LSP技术(X + LSP或LSP + X)和集成LSP技术(3D-LSP)。利用激光冲击波的机械效应，激光冲击焊接、激光冲击压印、激光冲击爆炸、激光冲击成形等新技术不断涌现和发展。虽然在本工作中提出了一些典型的航空航天部件的工程应用，但一些考虑到其商业价值的LSP技术将是一个有待解决的挑战。此外，本文还列举了LSP的一些发展趋势，对该领域的研究人员和工程人员具有一定的指导意义。