激光冲击硬化

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《特种加工手册》第77页（1677字）

激光冲击硬化是用功率密度极高(10⁸W／cm²以上)的激光在极短的时间(20～40 ns)内将金属材料表面加热到足以使其汽化的温度，由于其表面突然汽化，可产生1．01×10¹⁰Pa的高压，因此足以使金属材料表面产生强烈的塑性变形，使激光冲击波作用区的显微组织呈现复杂的位错缠结网络．这种结构类似于经爆炸及快速平面冲击的材料中的亚结构．这种组织能明显提高材料的表面硬度、屈服强度以及疲劳寿命，从而使材料性能大为改善．因此，由激光冲击波作用产生的材料表面硬化及强度的提高统称为激光冲击硬化．

2．5．5．1 激光冲击硬化的原理及工艺

激光冲击硬化的原理如图2-27所示．在材料待冲击部位涂上黑漆，并用自来水均匀流过待冲击区域或用很薄的石英玻璃片贴合在待冲击区域，用以形成一透明的保护层．在激光的作用下，其瞬间的压力峰值可达10GPa．在如此高的冲击压力下，材料表面则发生塑性变形，形成残余压应力并使显微组织中位错密度增加，从而提高了硬度和强度，改善了性能．

图2-27 激光冲击硬化原理图

激光冲击硬化处理多采用Q开关钕玻璃激光器，功率密度为10⁹W／cm²，脉冲宽度为20～100ns．冲击硬化适用于多种材料，但目前主要在铝合金上应用为多．表2-19和表2-20分别是几种激光冲击硬化材料的成分及激光冲击硬化的工艺参数．

表2-19 几种冲击硬化材料的化学成分ω %

表2-20 激光冲击硬化工艺参数

2．5．5．2 激光冲击硬化对材料机械性能的影响

(1)激光冲击硬化对硬度的影响 铝合金的激光冲击硬化效果与冲击处理条件、材料及其时效状态有关，其中以应力波峰压的影响为主．欠时效铝合金表面硬度随峰压增加而提高．当峰压超过5GPa时，硬化作用达到饱和，其变化趋势与爆炸结果相同．峰值时效状态铝合金在峰压为5GPa时无硬化作用．

Ti-V合金经激光冲击处理后，表面硬度增加20%．不锈钢一次冲击后表面硬度几乎不增加，但冲击5次后表面硬度增加40%．

由于应力波向材料内部传播时将迅速衰减，故激光冲击硬化效应在表面处最大，在距表面1～2mm处降至零．

(2)激光冲击硬化对拉伸强度的影响 铝合金激光冲击硬化后强度因材料及其状态而异．欠时效状态和过时效状态铝合金经激光冲击处理后都提高了强度，前者最多提高6%，后者提高15%～30%；而峰值时效状态铝合金经激光冲击处理后的强度无变化．防锈铝合金焊缝区屈服强度与母材的强度相当．硬质铝合金焊缝区屈服强度提高到介于冲击前和母材之间的水平．

(3)激光冲击硬化对残余应力和疲劳的影响 激光冲击硬化材料表面的残余压应力对提高疲劳寿命有重要作用．激光冲击无论是依次单侧冲击还是两侧同时冲击，均可大大提高铝合金的疲劳寿命．

2．5．5．3 激光冲击硬化的应用

一般认为，激光冲击硬化技术最重要的应用是局部强化焊接件及精加工后的工件．尤其适用于铝合金，可大幅度提高飞机紧固件孔周围区的疲劳寿命．但在它成为一种实用的生产方法前，还需进行大量的各种应用研究．