中国科学技术大学

硕士学位论文

激光冲击波及激光冲击处理技术的研究

姓名：段志勇

申请学位级别：硕士

专业：激光技术应用

指导教师：吴鸿兴;王声波

2000.5.1摘要

本文介绍了激光与固体物质的相互作用，给出了较为清晰的激光冲击波形成物理图象。研究了等离子体的横向膨胀效应，指出横向膨胀效应对激光冲击波的

影响比轴向膨胀更明显。在已有实验结果的基础上，初步提出了与之符合较好的

冲击波估算公式。利用ＰＶＤＦ压电传感器测量了激光冲击波。讨论了激光束功率密度空间分布

及靶厚度对测量结果的影响。全面研究了约束结构（包括约束层和表面涂层）的作用。（从理论上提出了约

束层的增强激光能量耦合效应。测量了各种不同条件下的激光冲击波，诸如自制

表面涂层的使用、初次用水作约束层、曲面试件约束冲击的约束结构有效性问题、

有无表面涂层的比较、表面涂层厚度的影响等。指出表面涂层的作用主要是保护靶面以免被烧蚀，而不是提高激光吸收率Ｊ文中还研究了约束层的光学击穿和碎

裂问题，以及此时的约束结构失效的问题。实验研究了激光冲击对金属或合金的强化作用。ｆ选取铝合金ＬＹｌ２、钛合金

ＴＣ４、高强钢３０ＣｒＭｎＳｉＡ、不锈钢１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ和镍基高温合金ＧＨ３０作为实验材

料，研究了激光冲击处理对这几种材料的显微硬度、表层残余压应力、显微组织结构、疲劳性能等的影响。卜—、、一一

关键词：激光冲击波，等离子体，横向膨胀，估算公式，冲击波测量，约束层

表面涂层，强化Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ，ｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＪａｓｅｒｂｅａｍａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｓｂｅｅｎ

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ｏｆｓｈｏｃｋｓ，ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ，ｐａｉｎｔｃｏａｔ，ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ中国科学技术大学硕士学位论文

第一章绪论

激光冲击强化处理是利用高能短脉冲激光辐照金属材料而产生的高强度应力

冲击波在其内部产生塑性应变，从而改变金属材料表层显微组织结构及其机械性能的～种新型材料强化技术。它在提高材料的疲劳性能及表面硬度，尤其是对喷

丸、挤压等常规处理工艺无法或难于强化的部位进行局部处理方面具有独特的应

用价值。在激光诞生后几年内，人们就已开始了对激光驱动冲击波及其对金属材

料表层机械性能影响的研究。近二十年来，有关激光冲击强化处理的应用研究一

直不曾中断，但由于用于激光冲击强化处理的强脉冲激光装置体积庞大、重复频

率低以及一些关键技术环节存在困难，故该技术难以达到实际应用要求。近年

来，激光技术及有关技术进一步发展，金属材料表面工程日益受到重视，这一技

术的研究开发再次进入高潮阶段。美、法、俄等国家走在前列，与此同时，国内

一些工作者们也在进行开发研究，中国科学技术大学强激光技术研究所在这一方面取得了尤其显著的进展。本章主要论述激光冲击强化处理的基本概念、特点长

处、应用前景及其发展过程。

１．１激光冲击处理的概念

激光冲击处理（ＬａｓｅｒＳｈｏｃｋＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＬＳＰ）是激光技术应用于材料处理领域的一项新技术。根据冲击效应侧重点不周，人们有时也称之为激光冲击强化

（ＬａｓｅｒＳｈｏｃｋＳｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ）或激光冲击硬化（ＬａｓｅｒＳｈｏｃｋＨａｒｄｅｎｉｎｇ）［１，２］，更形象的还有激光喷丸（ＬａｓｅｒＰｅｅｎ，ＬａｓｅｒＳｈｏｔＰｅｅｎｉｎｇ）［３］。现在，通用叫法是“激光冲击处理（ＬＳＰ）”。

商功率（≥１０９Ｗ／ｃｍ２）、短脉冲（ｎｓ量级）激光照射在材料表面上时，材料

表层迅速吸收激光能量发生爆炸性汽化，并几乎同时形成高温（＞１０４Ｋ）、高压

（＞ＧＰａ）、背离材料向外喷射的稠密等离子体，从而诱发一个高压冲击波【２，４，５］。此高压冲击波向金属材料中传播，若其峰值压力超过材料动态屈服强度，将在材

料表面及其内部产生塑性应变，导致大量位错等晶体缺陷的形成（有时也能在某些材料中引起相变），从而改善材料的机械性能，诸如疲劳寿命、硬度、耐磨性和

抗腐蚀性。

根据冲击方式的不同，激光冲击处理分为两种类型【２，６】。一种为“直接汽化

共７ｌ页第１页～生里型兰垫查奎堂堡主兰垡迨塞——————————————————————————————————————一一

（ｄｉｒｅｃｔａｂｌａｔｉｏｎ）”，如图１ｌａ所示，光束经聚焦后直接辐射金属耙材，工艺十分

简单，但烧蚀金属表层，甚至导致表层残余拉应力，对机械性能改善十分不利，一般仅用于模型分析或对某些结构作动态加载［７】；另一种为“约束汽化（ｃｏｎｆｉｎｅｄ

ａｂｌａｔｉｏｎ）”，如图ｌ１ｂ所示，金属表面涂上黑色吸收层再覆盖透明约束层，黑色

吸收层能增加对光能的吸收，促进等离子体的形成并防止金属表层烧蚀，约束层

能大幅度提高等离子体产生的应力波幅值和持续时间［６，８】，但由于约束介质电击穿而存在峰值压力饱和问题【９］。目前工艺研究上常用的是后者，一般所说激光冲

击处理即指“约束汽化”，这也是我们所感兴趣的激光冲击处理方式。

（ａ）直接汽化谶光束

会聚透镜一一一

工件

（ｂ）约束、气化

图１１：’擞光冲击处理两种方式示意圈

１．２激光冲击强化处理的应用

１．２．１激光冲击强化处理早期的应用开发，约束层

涂层

激光冲击强化处理早期的应用研究起源于六十年代对飞机结构可靠性和安全

性的重视［１０，１１】。飞机的关键部位，例如飞机构件上典型的应力集中结构——紧

固孔，在交变载荷下极易产生疲劳裂纹，疲劳源多从紧固孔边缘处萌生。因此，

在材料选择和结构制造中，如何尽可能降低关键部位应力集中的不利影响，改善飞机结构的抗疲劳性能，延长使用寿命，确保飞机可靠性和安全性，是飞机设计

和材料研究者的重要研究课题。目前国内外广泛用于飞机结构抗疲劳断裂设计的

有两种强化工艺：喷丸（ＳｈｏｔＰｅｅｎｉｎｇ）和冷挤压（ＣｏｏｌＥｘｔｒｕｄｉｎｇ）。对大面积强

化来说，它们是有效的，但对于较小尺寸（如直径３．５ｍｍ以下）部位，喷丸和冷挤

共７ｌ页第２页中国科学技术大学硕士学位论文＿ｒ————————————————一

压都很难甚至无法进行，强化效果也不理想；此情况下，激光冲击强化处理技术

以其精确定位的特点成为潜在的替代工艺。随着研究的深入，激光冲击强化处理逐渐向工业界展示了其独特的应用潜力

和优点。八十年代后期，汽车工业领域提出与航空工业领域一样的问题，这也导

致汽车工业领域紧随航空工业领域一起大力支持对激光冲击强化处理的应用开发

研究。汽车机械零部件在服役过程中有各种形式的失效，但多数是疲劳失效：在

整个机械零部件的失效总数中，疲劳失效所占的比例最高，约占５０％～９０％［１６】。因此，为了提高零部件的抗疲劳性能，在工艺上通常采用各种强化技术来改善材料的机械性能，尤其是抗疲劳性能。激光冲击强化处理作为一种清洁、局域、有

效的材料强化工艺，在航空工业、汽车工业领域以及越来越多的领域逐步得到应

用。

１．２．２激光冲击强化处理的特点和长处

与喷丸、挤压等传统强化工艺相比，激光冲击强化处理技术具有一系列优

点。正是这些优点使得有关该技术的研究进一步广泛和深入。

在典型的激光材料加工（如激光切害０、激光合金化与涂覆、激光焊接等）过

程中激光作为一种热输出直接作用在材料上。利用的是激光与材料之间的热效应

［１２１。激光冲击强化处理则完全不同，激光能量被用来产生等离子体并驱动冲击波作用在材料上，作用在材料上的是力学效应。激光冲击强化处理采用的激光脉冲

宽度仅几十纳秒甚至更窄，激光与材料作用时间极短，加之在材料表面涂覆吸收

层，使得传递到金属表面的热量微乎其微，因热效应而引起的显微组织变化亦可

忽略。因而，在合适激光参数下，激光冲击强化处理对材料表层无结构热损伤，

材料表面光洁度基本无变化，是无渗入或沉积污染的清洁工艺［９】。激光冲击强化处理过程中冲击压力极高，例如，脉宽２５ｎｓ、能量８００Ｊ、光斑约１ｃｍ２的激光束作用在工件表面的压力可达１０ＧＰａ［１３］。高压将在工件内导致深塑性变形层，如Ｊｅａｎ。ＥｒｉｃＭａｓｓｅ等获得８００．１１００ｕｍ的深度［９】，两传统冲击加工塑性变形层只有２５０ｌａｍＥｌ４］；由此产生的残余压应力是改誊疲劳寿命之关键所在。

激光束能精确定位，因而某些受几何形状或位置限制无法进行传统工艺处理的部位可由激光冲击达到强化目的，如小槽、小孔和轮廓线之类。尽管激光冲击

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