表面技术 第53卷 第7期 ·146· SURFACE TECHNOLOGY 2024年4月
收稿日期：2023-02-22；修订日期：2023-05-23 Received：2023-02-22；Revised：2023-05-23 基金项目：国家自然科学基金（51875558）；国家重点研发计划（2022YFB4601600） Fund：National Natural Science Foundation of China (51875558); National Key Research and Development Plan (2022YFB4601600) 引文格式：何佳琪, 乔红超, 张楠楠, 等. 激光冲击强化对镍基单晶高温合金SRR99组织及性能的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(7): 146-155. HE Jiaqi, QIAO Hongchao, ZHANG Nannan, et al. Effect of Laser Shock Peening on Microstructure and Properties of Nickel-based Single Crystal Superalloy SRR99[J]. Surface Technology, 2024, 53(7): 146-155. *通信作者（Corresponding author） 激光冲击强化对镍基单晶高温合金
SRR99组织及性能的影响
何佳琪1,2，乔红超2*，张楠楠1，赵吉宾2，陆莹2，杨玉奇2
（1.沈阳工业大学 材料科学与工程学院，沈阳 110870；2.中国科学院沈阳
自动化研究所 机器人学国家重点实验室，沈阳 110016）
摘要：目的 解决镍基单晶高温合金航空发动机涡轮叶片在服役时发生表面损伤的问题，探究激光冲击强化
对镍基单晶高温合金SRR99的强化变形机制。方法 采用高功率（8 J）短脉冲激光分别对试样进行1、2、3
激光冲击强化原理及应用概述江苏理工大学 肖爱民 杨继昌 张永康 摘 要 论述了激光冲击强化的基本原理及其应用,着重讨论了激光冲击参数的优化和冲击波峰压的理论计算,说明了约束层在激光冲击处理过程中的重要作用,指出了激光冲击处理目前存在的难题。Abstract InthearticlewereviewthePhysicsandApplicationsofLasershockprocessingandpaymoreattentiontotheanalyticalmodelingoftheprocess.Throughtheexampleswediscusstheimportanceofthecon-finingmedium.SomedifficultiesinLasershockprocessingareexplored.关键词 激光冲击强化 约束层 冲击波峰压1 引言当作用在金属材料上的激光功率密度大于108W/cm2时,材料表面受热气化并产生等离子体,由于等离子体的爆炸将在金属材料表面产生冲击波,在此作用下,材料的力学性能得到明显的改善。在有约束层的情况下,此冲击波的峰值压力可以达到10GPa[1]。国内外的研究表明,激光冲击强化可有效地提高铝合金、碳钢、镍基合金、不锈钢、铸铁等金属材料的硬度和疲劳寿命[1~7]。材料疲劳寿命的提高主要是由于表面残余压应力的存在。同时,冲击后在材料中存在的高密度位错和位相的改变,使材料的硬度和弯曲应力得到提高。激光冲击强化与传统的强化工艺如喷丸强化、锻打相比,是一种洁净、无公害的处理方法。由于激光冲击处理的柔性强,因此可处理工件的圆角、拐角等应力集中部位。2 激光冲击强化原理国外进行激光冲击强化研究所用的钕玻璃激光器,输出能量为80~100J,脉宽为3~30ns,光斑直径约为1cm。当光束聚焦在金属表面时,金属表面气化达到很高的温度(约为10000K)并产生高压力的等离子体(GPa量级),等离子体爆炸后产生与炸药爆炸类似的冲击波。激光冲击强化可分为有约束层(confined-plasma)和无约束层(directablation)两种类型。有约束层时的模型如图1所示[3]。激光束透过水或玻璃被吸收层吸收,吸收层部分汽化形成等离子体,由于等离子体被约束在约束层和试样之间,根据理想气体的状态方程,在有约束层时可以比收稿日期:2000-08-28无约束层时获得更高的冲击波峰压。同时在有约束层时,冲击波持续时间为无约束层时的2~3倍。
激光冲击强化的应用
自从20世纪70年代激光冲击波技术被用于材料表面改性以来，国内外许多学者都对其进行了广泛的研究。1974年，Fairand等在美国国家科学基金的资助下，对特定条件下激光冲击产生的冲击波进行了实验测试研究，1978年，他们又在美国空军飞行动力实验室(AFFDL)的资助下，相继开展了激光冲击处理提高铁基合金及航空铝合金疲劳性能的研究，7475-T73经激光冲击后疲劳寿命提高一倍，Fe—Si合金(Si3%)经激光冲击得到0.2mm厚的均匀硬化层，硬度提高25%。而316不锈钢经激光冲击后，表面硬度与机加工面相比提高20％，与基体相比提高2倍。研究中发现，激光冲击是延长裂纹萌生时间。降低裂纹扩展速度，提高飞机紧固孔疲劳寿命的有效手段。
1979年，美国国防工业著名的格克希德-佐治亚公司开展了激光冲击处理7075-T6和7475—T73铝合金的研究，试验结果表明：7075-T6试件的疲劳寿命提高1.93倍，7475—T73试件的疲劳寿命提高1.91倍。另外，法国、俄罗斯等航空工业发达的国家也相继开展了这方面的研究。
我国对激光冲击波技术的应用研究起步较晚但发展迅速。主要是国内大功率激光装置于20世纪80年代后期才进人实用阶段，且数量极少，仅有的几家单位是；中国科学院上海光机所(神光装置)、中国工程物理研究院(星光装置)和中国科学技术大学强激光研究所(华光装置)。而这些高功率激光装置通常都是以激光核聚变及强场物理等前沿研究为应用目标所建造的。整个激光系统的规模十分庞大，技术复杂，造价高昂，这些条件限制了我国学者对激光冲击技术的研究。
光信0802
20081182059
邹博琼
冲击强化的原理和应用
引言
冲击强化是一种提高材料硬度和强度的重要方法，在工程领域中有广泛的应用。本文将介绍冲击强化的基本原理以及其在不同领域的应用。
基本原理
冲击强化通过在材料表面施加高速冲击力，产生压缩应变，从而改善材料的性能。其基本原理可概括如下： 1. 冲击力产生：冲击强化通常是通过用冲击工具（如锤头或冲击钻）在材料表面上施加高速冲击力来实现的。冲击力的大小和频率是决定冲击强化效果的关键因素。 2. 压缩应变产生：被冲击的材料在冲击力的作用下会发生压缩变形，产生局部应变。这种压缩应变可以使材料晶界重新排列并引起奥氏体相变，从而提高材料硬度和强度。 3. 形变限制：冲击强化还需要在材料表面施加一定程度的形变限制，以防止材料在冲击过程中塑性变形过大。这通常通过在材料表面形成覆盖层或使用辅助工具来实现。
应用领域
冲击强化在许多领域中都有着广泛的应用。以下是一些常见的应用领域：
1. 金属材料强化
冲击强化在金属材料中的应用非常广泛。在航空航天和汽车工业中，冲击强化可以提高金属部件的硬度和强度，增加其耐久性和抗疲劳性。此外，冲击强化还可以减少金属材料的晶界滑移，防止晶体变形和晶界蠕变。
2. 工具和刀具强化
冲击强化在工具和刀具制造中也有重要的应用。通过对刀具表面进行冲击强化处理，可以提高刀具的硬度和耐磨性，延长其使用寿命。冲击强化还可以减少切削力，改善切削质量，提高加工效率。
3. 钢轨和铁道强化
冲击强化可以有效地提高铁路轨道的硬度和强度，减少铁轨面的磨损和变形。通过使用冲击强化技术，铁路轨道的寿命可以显著延长，同时减少对列车运行的影响。 4. 石材加工
在石材加工领域，冲击强化可以提高石材的硬度，减少开采和加工过程中的损耗。冲击强化还可以改善石材的纹理和外观，增加其市场竞争力。
研究进展
近年来，冲击强化技术得到了广泛的关注和研究。研究人员正在努力开发新的冲击强化技术，以提高冲击强化的效率和精度。一些最新的研究进展包括： 1. 高能量激光冲击强化：通过使用高能量激光，可以在材料表面产生更高强度的冲击力，实现更高水平的冲击强化效果。 2. 基于人工智能的冲击强化控制：利用人工智能和机器学习技术，可以实现对冲击强化过程的自动控制和优化，提高冲击强化的准确性和一致性。
