本文綜述了殘余壓應力和晶粒細化對金屬材料機械性能的影響，討論了LSP的最新發(fā)展和目前面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。本文為第四部分。
4.6激光噴丸成形
LPF源于LSP，是一種非接觸、非熱效應的柔性金屬板處理方法。在LPF中，目標薄片樣品被保護層和限制層覆蓋（類似于LSP的樣品制備），只需要夾緊樣品的一端或兩端（而不需要固定樣品的底部）。與傳統(tǒng)的激光熱成型不同，LPF通過使用激光誘導的沖擊波（圖23a）來誘導彎曲，這是一種純機械過程，不會造成熱損傷。此外，該工藝還可以通過誘導有益的壓縮殘余應力和產(chǎn)生表面加工硬化層來改善金屬的疲勞性能。
圖23通過應力梯度法進行LPF彎曲的工藝步驟。
為了預測LPF后試樣的彎曲角度，Hu等人提出了兩種彎曲機制：應力梯度機制和沖擊彎曲機制。LPF后金屬板的曲率取決于金屬厚度與壓縮殘余應力深度的比率。當目標金屬較厚時，激光誘導的壓縮殘余應力僅出現(xiàn)在表層（圖23b）。為確保幾何相容性，壓縮殘余應力將部分松弛，這將導致負彎矩（圖23c）。負彎矩使目標表面發(fā)生拉伸變形，從而在目標金屬中產(chǎn)生凸曲率。這個過程被稱為“應力梯度機制”。當金屬板很薄時，激光會在整個厚度方向上產(chǎn)生壓縮殘余應力（圖24b），在彎曲過程中，沖擊波壓力（而非殘余應力梯度）引起的向下動量占主導地位。向下的動量產(chǎn)生一個正彎矩M（圖24c），該彎矩在下表面引起拉伸變形，并在金屬板中產(chǎn)生凹面曲率。這個過程被稱為“沖擊彎曲機制”。
圖24 通過沖擊彎曲機構(gòu)進行LPF彎曲的工藝步驟：a）激光沖擊加載，b）向下移動和塑性變形，c）沖擊彎曲，d）單元上的彎曲力矩，以及e）一端固定的金屬板彎曲。
在前兩種彎曲機制中，增加板材厚度或降低激光強度將減小彎曲角度。因此，可以合理地假設，通過調(diào)整加工參數(shù)（例如激光強度、板材厚度、掃描速度和/或其他參數(shù)），可以獲得理想的彎曲方向和彎曲角度。
根據(jù)對前兩種彎曲機制的觀察，可以推斷，當薄板非常薄時，通常只能通過LPF獲得凹曲率。為了在薄板中產(chǎn)生凸曲率，提出了一種稱為飛秒LPF（FLPF）的方法。在該工藝中使用的低能激光可以減少殘余壓應力的深度，并且當選擇適當?shù)膮?shù)時，可以獲得凸曲率。此外，當使用飛秒激光作為能量源時，不需要使用保護層和約束層。這簡化了流程，提高了效率。
預彎曲半徑為667 mm的顯式無限平板模型的等效塑性應變場輪廓:(a)頂面塑性應變場，(b) x軸截面深度塑性應變場。
為了通過LPF形成高強度金屬，Hu等人提出了激光輔助LPF（LALPF）。為了防止因加熱和減壓而導致的限制層（水）汽化，在成形過程中使用連續(xù)激光束加熱目標表面的另一側(cè)。這種加熱方法也可以在薄靶板上產(chǎn)生理想的加熱效果。如圖25所示，與未經(jīng)激光加熱的LPF相比，LALPF可以通過降低靶材的強度來提高鈦合金板材的彎曲變形能力，還可以增加塑性變形層的深度。此外，增加激光加熱功率可以進一步增加彎曲變形。值得注意的是，使用過高的加熱溫度會導致工件氧化，而由此產(chǎn)生的硬脆氧化鈦副產(chǎn)品將大大降低部件的疲勞壽命。因此，LALPF應選擇合適的加熱溫度。
圖25鈦合金板材在不同條件下的特征彎曲特征：a）最大彎曲高度和b）彎曲曲率半徑。
4.7 LSP在金屬AM中的應用
近年來，AM由于能夠生產(chǎn)具有復雜幾何形狀的零件而引起了研究界的廣泛關注。不過AM金屬存在一些問題，包括較高的孔隙率和拉伸殘余應力。因此，AM金屬通常具有較差的疲勞性能。為了解決這個問題，Hackel等人通過SP和LSP處理樣品，他們觀察到疲勞性能的顯著改善，如圖26所示。SP和LP后AM試樣的疲勞壽命高于未處理AM試樣和鍛造零件的疲勞壽命。請注意，LSP比SP能更有效地改善AM樣品的疲勞性能。這是因為LSP比LP能產(chǎn)生更高的壓縮殘余應力和更深的影響層。這些結(jié)果表明，LSP是處理AM金屬的有效方法。
圖26 AM 316L不銹鋼的疲勞壽命試驗結(jié)果與應力載荷對比，比較了無缺口AM樣品與未著色、噴丸和激光噴丸材料的缺口。
然而，由于激光沖擊波的影響深度有限，LSP的積極影響僅存在于上表面層，無法消除樣品內(nèi)部累積的殘余拉伸應力。因此，提出了3D LSP（3D LSP）的概念，這是一種將SLM與LSP集成在一起的新型混合AM工藝。也就是說，在SLM過程中，在沉積幾層金屬粉末后引入LSP處理，并且SLM繼續(xù)在LSP處理層上進行。之后，再次引入LSP來處理新沉積的層。這個循環(huán)一直持續(xù)到沉積完成。集成SLM-LSP系統(tǒng)的示意圖如圖27所示。通過將LSP集成到SLM工藝中，樣品內(nèi)部有害的拉伸殘余應力可以轉(zhuǎn)化為壓縮殘余應力，部件的疲勞性能可以進一步提高。
圖27結(jié)合SLM和LSP的操作系統(tǒng)。
圖28顯示了傳統(tǒng)LSP處理和3D LSP處理后樣品深度殘余應力分布的比較。為了研究兩種LSP處理之間層數(shù)的影響，還比較了具有不同間隔層的樣品的殘余應力分布?？梢钥吹?，SLM后，樣品表面積累了大量的拉伸殘余應力。傳統(tǒng)LSP處理后，拉伸殘余應力轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s殘余應力。3D LSP處理后，應力值和深度都有所增加，當層數(shù)等于10時，這種影響更為明顯。這表明，與傳統(tǒng)LSP相比，3D LSP能更好地將拉伸殘余應力轉(zhuǎn)化為壓縮殘余應力，其效果與LSP處理層之間的間隔層數(shù)量有關。
圖28 Ti6Al4V樣品在AB、2D LSP、3D LSP 3 l和3D LSP 10 l條件下的殘余應力分布。注:“AB”為SLM AB條件下的樣品，“2D LSP”為在頂面上僅經(jīng)過最終LSP處理的樣品(與傳統(tǒng)LSP相同)，“3D LSP”為實際生產(chǎn)的樣品，如圖27所示。3D LSP處理后的樣本結(jié)果分為“3D LSP 3l”和“3D LSP 10l”，表示兩個LSP處理層之間的層數(shù)。
除了金屬AM過程中產(chǎn)生的拉伸殘余應力外，由于加工方向的定向凝固，還會產(chǎn)生織構(gòu)，這使得材料各向異性，并會降低制造部件的機械性能。Kalentics等人發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過3D LSP處理和退火后，樣品的微觀結(jié)構(gòu)從柱狀晶體變?yōu)榫碌牡容S晶體，織構(gòu)減弱（圖29）。因此，這種處理工藝可以大大提高零件的機械性能。
圖29 SLM AB和SLM LSP樣品在1100℃熱處理10 min后的EBSD圖:a) SLM AB樣品的反極圖，b) SLM LSP樣品的EBSD圖。c) SLM AB樣本的局部錯位圖和d) SLM LSP樣本。
與用SLM制備的試樣相比，用SLM-LSP處理的試樣的UTS和伸長率都有所提高，這可以用LSP引起的晶粒細化、殘余壓應力和密集位錯來解釋。此外，激光誘導的沖擊波可以促進層間的原子交換（圖30），從而增加層間結(jié)合力，進而改善AM組件的拉伸性能。
圖30層間原子擴散過程的LSP示意圖。a）使用SLM處理的樣本和b）使用SLM-LSP處理的樣本。
總之，我們可以得出結(jié)論，LSP是處理AM金屬的有效方法，當LSP在AM制造過程中集成時，效果更為顯著。然而，應當注意，將LSP過程集成到AM過程中將增加AM系統(tǒng)的復雜性。為了更好地控制AM金屬的微觀結(jié)構(gòu)和殘余應力狀態(tài)，提高其機械性能，需要進行更深入的研究，以找到改善沉積和噴丸過程協(xié)調(diào)性的方法。
實驗和模型預測的變形形狀：（a）不同預彎條件下形成的試樣；（b）預彎曲半徑667mm下的實驗輪廓；（c）在667mm預彎曲半徑下的模型預測輪廓。
通過實驗和基于本征應變的模型，可以得到不同預應力條件下LPF后試樣的變形形狀。上圖顯示了在667 mm預彎曲半徑下樣品的變形形狀輪廓?？梢杂^察到，方形板被制成凸出平面的形狀。數(shù)值模型預測的形狀與實驗結(jié)果非常相似。
4.8激光沖擊噴丸對陶瓷材料的影響
陶瓷材料具有低密度、高熔點、高硬度、高耐磨性和高抗氧化性等優(yōu)點。因此，它們可以用作結(jié)構(gòu)和功能材料。然而，陶瓷固有的脆性限制了其工業(yè)應用。SiC和Al2O3等陶瓷在室溫下的塑性極低，導致高裂紋敏感性和低斷裂韌性，從而在外部載荷下過早失效。
如前所述，LSP可在金屬材料表面層上產(chǎn)生殘余壓應力。這些應力的存在可以部分抵消外部載荷，從而增加裂紋萌生的應力閾值。此外，壓應力可以削弱裂紋尖端的應力強度因子，從而抑制裂紋擴展。LSP還可以在陶瓷中產(chǎn)生有益的殘余壓應力，LSP后α-SiC陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)如圖31所示。從這張圖中可以注意到，表面上有許多缺陷，例如位錯和層錯，表明存在塑性變形。圖32顯示了LSP處理的SiC陶瓷中殘余應力的深度分布。從該圖可以看出，LSP后的壓縮殘余應力延伸至約750的深度?μm，最大應力值約為800?Mpa。致密的位錯和壓縮殘余應力會阻礙位錯的運動，從而提高SiC樣品的硬度。LSP處理樣品的硬度測量結(jié)果顯示裂紋比未處理樣品短，這意味著LSP處理的陶瓷具有更高的抗裂性和斷裂韌性。
圖31 LSP產(chǎn)生的α-SiC陶瓷中位錯的透射電子顯微鏡圖像。
圖32 LSP處理SiC陶瓷的深度殘余應力分布。
總之，LSP不僅可以提高陶瓷材料的硬度，還可以提高其斷裂韌性。因此，LSP可以緩解陶瓷材料韌性差的問題，從而擴大這些材料的工業(yè)應用。當然，迄今為止，關于陶瓷材料LSP處理的研究很少。需要進行更深入的研究，以探索LSP處理陶瓷的前景。
4.9激光沖擊噴丸對金屬玻璃的影響
金屬玻璃由于其特殊的性能（例如，高強度、高硬度、良好的耐腐蝕性和耐磨性），在許多領域都有潛在的用途。然而，金屬玻璃的塑性較差，在室溫下承受外部載荷時，幾乎不會發(fā)生塑性變形而斷裂。金屬玻璃在不同溫度下的變形機制是不同的。當溫度接近或高于玻璃轉(zhuǎn)變點時，金屬玻璃的塑性變形是通過均勻的粘性流動實現(xiàn)的；當溫度遠低于玻璃化轉(zhuǎn)變點時，它通過剪切帶實現(xiàn)。一旦形成剪切帶，它將在沒有任何約束的情況下迅速膨脹，最終導致脆性斷裂。因此，金屬玻璃在室溫下不具有宏觀塑性。
金屬玻璃的塑性可以通過增加剪切帶的數(shù)量來改善，因為剪切帶的數(shù)量與材料的自由體積有關，這可以增加原子間的距離，降低原子間的鍵合力。因此，在塑性變形過程中，自由體積處容易出現(xiàn)應力集中，應力集中的位置可以用作剪切帶的初始形核點。因此，LSP過程中沖擊波形成的自由體積可以提高金屬玻璃的塑性。
如圖33a所示，經(jīng)過LSP處理后，Vit1大塊金屬玻璃（BMG）試樣的塑性顯著提高，而不犧牲強度。這種改善源于LSP后自由體積的大幅增加，導致剪切帶數(shù)量增加，以及適應塑性變形的能力，這可以通過三點彎曲后Vit1 BMG側(cè)面的掃描電子顯微鏡（SEM）顯微照片證實。
圖33 a)鑄態(tài)和經(jīng)LSP處理的Vit1 BMG的三點彎曲法向應力和中點應變曲線;b)經(jīng)LSP處理的Vit1 BMG截面上的顯微硬度值。
與傳統(tǒng)晶體材料不同，LSP處理后金屬玻璃的硬度降低（圖33b），因為硬度與自由體積有關。自由體積越大，硬度越低。雖然LSP降低了金屬玻璃的硬度，但可以顯著提高其塑性。
5.挑戰(zhàn)和未來方向
盡管LSP在業(yè)界是一個成熟的過程，但它仍然面臨許多挑戰(zhàn)。例如，傳統(tǒng)的LSP處理仍然需要使用黑色膠帶或黑色涂料作為吸收層。然而，吸收層的應用和移除非常耗時，大大降低了LSP的整體處理效率。因此，開發(fā)一種自動部署吸收層的系統(tǒng)將成為提高LSP效率的有效手段。此外，還需要一種LSP在線監(jiān)測技術(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，LSP處理后的部件檢查在LSP處理后進行。
LSP處理的有效性取決于選擇可接受的工藝參數(shù)（即激光功率密度、光束大小和重疊比）和適當?shù)膾呙璨呗裕碙SP圖案和順序）。與工藝參數(shù)類似，LSP掃描策略也會影響殘余壓應力的大小和分布。LSP掃描策略對于幾何形狀復雜的部件也變得更加重要。目前，LSP工藝參數(shù)和掃描策略的選擇基于有限元模擬和經(jīng)驗。由于對具有復雜幾何形狀的部件進行有限元模擬是一個耗時的過程，因此將分析解決方案與傳統(tǒng)有限元模型集成在一起的LSP模型可能會加速該過程。另一種有助于選擇LSP工藝參數(shù)的方法是建立LSP數(shù)據(jù)庫，其中包括根據(jù)模擬和實驗研究的結(jié)果，在不同LSP工藝參數(shù)下，各種金屬的深度硬度、深度殘余應力分布、微觀結(jié)構(gòu)變化和疲勞性能增強。該數(shù)據(jù)庫配有機器學習工具，將幫助工程師在日常LSP操作中選擇最佳LSP工藝參數(shù)。
LSP的進一步發(fā)展還取決于高能脈沖激光器的可用性。目前，高能脈沖激光器的成本相對較高，因此有必要開發(fā)能夠滿足LSP要求的低成本脈沖激光器。光纖傳輸?shù)母吣苊}沖激光器將使LSP與當前加工平臺的集成成為可能，從而在單個平臺上實現(xiàn)金屬零件的加工和噴丸。能夠處理高能激光脈沖的光纖傳輸系統(tǒng)的可用性可以顯著擴展LSP處理復雜幾何形狀部件的能力。為了實現(xiàn)超快LSP以加速該過程，還需要具有超高脈動的脈沖激光器。此外，需要小型便攜式激光器在無法發(fā)送到傳統(tǒng)LSP設施的關鍵部件（如船上的部件）上實施LSP。
為了增強LSP的強化效果，開發(fā)了許多創(chuàng)新的LSP工藝，如WLSP、CLSP、EP-LSP和FLSP。雖然這些過程的有效性已經(jīng)在實驗室得到了證明，但它們還沒有接近工業(yè)實施，許多技術(shù)挑戰(zhàn)在工業(yè)使用之前仍有待解決。
6結(jié)論
本文綜述了LSP工藝，重點介紹了其新的應用和創(chuàng)新工藝的開發(fā)。介紹了LSP的基本機理，包括高能脈沖激光產(chǎn)生的沖擊波，以及LSP如何誘導壓縮殘余應力和晶粒細化。接下來，討論了LSP對金屬機械性能（例如強度、硬度、延展性、耐磨性和SCC以及疲勞性能）的影響。詳細介紹了最近基于LSP開發(fā)的創(chuàng)新工藝，包括WLSP、CLSP、EP-LSP、FLSP、LPF和LPwC，以及LSP在新興領域（如AM）和材料（陶瓷和金屬玻璃）中的新應用。雖然LSP已經(jīng)成功地應用于處理工程材料的重要應用中，但它的全部潛力及其在更多應用中的應用仍有待實現(xiàn)。盡管許多基于LSP的工藝創(chuàng)新已在實驗室實現(xiàn)，但尚未實現(xiàn)行業(yè)規(guī)模的實施。成功地大規(guī)模應用這項技術(shù)需要學術(shù)界和工業(yè)界的研究人員和工程師密切合作。
來源：Recent Developments and Novel Applications of Laser Shock Peening: A Review，Advanced Engineering Materials, doi.org/10.1002/adem.202001216
參考文獻：G. Askar'yan, E. Moroz, Sov. J. Exp. Theor. Phys. 1963, 16, 1638.，A. H.Clauer, metals 2019, 9, 626.
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