激光冲击强化技术

激光冲击强化的原理和应用1. 引言激光冲击强化是一种基于激光技术的金属表面处理方法，通过激光的高能量和高浓度束流对金属材料进行瞬间加热和快速冷却，以改善材料的力学性能和表面硬度。

本文将介绍激光冲击强化的原理和应用领域。

2. 原理激光冲击强化的原理基于激光在材料表面的作用。

当激光束照射到金属表面时，激光能量会被吸收并转化为热能。

这种热能的瞬时加热会导致局部温度升高，从而引起材料的熔化和损伤。

随后，激光在热膨胀过程中产生冷却速度快的凝固区域，通过迅速冷却可使凝固区域内的晶粒细化和固态相变等宏观结构改变发生。

这些结构改变可以显著提高材料的力学性能和表面硬度。

3. 应用领域激光冲击强化技术在以下几个方面得到了广泛应用：3.1 金属材料加工激光冲击强化可用于提高金属材料的抗疲劳性能和抗磨损性能。

通过激光冲击强化处理，金属材料的表面硬度可以明显提高，从而延长其使用寿命。

这在航空航天、汽车制造和机械加工等领域具有重要的应用价值。

3.2 电子器件制造激光冲击强化技术也可以用于电子器件的制造。

例如，在半导体行业中，激光冲击强化可以提高电子器件的导电性能和耐磨性能，从而提高整个电子器件的性能和可靠性。

此外，激光冲击强化还可以用于制造微电子器件和纳米器件。

3.3 医疗领域激光冲击强化技术在医疗领域也有重要应用。

例如，在人工关节和牙科种植领域，激光冲击强化可以提高金属和陶瓷材料的力学性能，从而增加人工关节的使用寿命和牙科种植的成功率。

此外，激光冲击强化还可以用于制造骨科植入物和医疗器械的表面处理。

3.4 其他应用领域除了以上几个主要应用领域外，激光冲击强化技术还在其他一些领域得到了应用。

例如，在船舶制造和海洋工程中，激光冲击强化可以提高金属材料的耐腐蚀性能和抗氧化性能，从而延长船舶的使用寿命。

在建筑领域，激光冲击强化可以用于加固建筑物的结构材料，提高抗震能力。

4. 结论激光冲击强化是一种基于激光技术的金属表面处理方法，通过激光的高能量和高浓度束流对金属材料进行瞬间加热和快速冷却，以改善材料的力学性能和表面硬度。

让你一目了然激光冲击强化技术图1生化危机激光通道生化危机大家都看过吧，小编现在仍然记得那个恐怖的镜头，几个人通过了一个激光通道，然后……咦咦咦o(╯□╰)o当然那是科幻电影里的，在现实中激光就有很神奇的功用，俊酷程度甚至超过电影特效。

图2激光概念图今天，小编带大家了解一个神奇的加工技术——激光冲击强化！（听起来就很高大上啊有木有！）这么高大上的技术有什么来历呢，它又具有哪十八般武艺，在航空领域又如何应用呢，下面我们一起走进这个神奇的世界。

1.发展历史激光是上世纪可以发展的重大发现之一，而将激光应用于工业生产也仅仅只有半个多世纪的时间。

相比于那些传统的加工方式，比如喷丸强化、滚压等手段，激光冲击强化还是很年轻呢。

图3激光早在上世纪60年代，当时科学家发现，激光可以产生冲击波，并且随冲击波持续作用，可以在金属表层产生压应力，其值远远高于材料屈服强度。

上世纪70年代，美国科学家研究了激光冲击后材料表层的微观结构变化和位错，发现激光可以提高铝合金抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能。

之后美国学者又提出了可以用激光强化代替传统的喷丸强化。

上世纪九十年代，科学家利用数值模拟的方法来对激光冲击强化进行分析, 并用试验方法验证了模拟的有效性。

2.原理首先来一段科学的定义：激光冲击强化（简称LSP）技术, 是利用高功率密度（大于1GW/cm2）的短脉冲（n级）激光，辐照金属材料表面所产生的高密度等离子体喷射爆炸所形成的冲击应力波（GPa级）来改善材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能的一项新技术。

其实，通俗来说，激光冲击强化并没有这么复杂，下面听小编慢慢讲。

首先看一幅图，你就能懂大致的原理了。

图4激光冲击强化原理激光冲击强化类似于弹丸喷丸，只是把弹丸换作激光脉冲，前几期我们曾经介绍过喷丸强化。

举一个最简单的例子吧来说明原理吧，小编小时候生活在农村，见过铁匠打铁。

俗话说千锤百炼，这种方式能够让金属产生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余应力，提高金属的疲劳强度。

激光冲击强化的应用及问题作者：罗成来源：《科学与财富》2018年第18期摘要：激光冲击强化技术（LSP）是利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的抗疲劳、抗腐蚀以及耐磨性能的新型技术。

本文在阅读了一定的相关文献后，对激光冲击强化的原理进行了简单描述，对激光冲击强化在高周疲劳和精密成型两个方面的应用进行了稍微提及。

同时，对激光冲击强化目前存在的问题笔者就自己的看法进行了提出。

关键词：LSP；高周疲劳；精密成型接触疲劳是两构件互相接触在力的作用下产生小片或小块状金属剥落而引起的表面失效。

随着科技的进步，激光冲击强化是近些年来越来越普遍的一种表面处理技术。

目前此种技术在各个国家都有应用，比如在美国，广泛应用于航空发动机关键结构件的表面强化。

一方面，它能提高金属的各方面性能，另一方面，它又能使得工序简单，影响小。

因此，它具有广阔的应用前景以及能产生巨大的经济效益。

激光冲击强化原理激光冲击强化原理图如下图所示，由高功率的脉冲激光通过约束层作用于目标材料的约束层上从而产生等离子体使得金属表面产生生塑性变形，获得表面残余压应力，从而提高材料的疲劳寿命强度。

目前，激光冲击强化技术的发展取得了巨大的成就，随着在某些领域零件的要求越来越苛刻，此项技术的应用领域也在与之同时的迅猛扩张，笔者主要介绍在高周疲劳与精密成形这两个领域的近期发展情况。

1.高周疲劳20世纪80年代，据美国调查，有95%以上的事故造成的原因都是由于疲劳断裂而引起的。

在20世纪初，美国首次在发动机叶片上应用成功并且专门设置了激光强化技术的生产线。

与国外相比，我国在激光强化方面起步较晚，但是一直以来，我国都没有停止过对激光冲击强化技术方面的研究，直到近些年来，我国才取得巨大的进展。

2008年在西安研究而成的连续脉冲激光冲击强化设备标志着我国拥有了使用激光冲击强化技术的能力。

2.精密成型既然激光冲击强化技术能够有效的改善提高金属的疲劳性能，自然而然的在精密成形方面会有巨大的应用前景。

激光冲击强化标准
激光冲击强化是一种先进的表面处理技术，可以通过激光束对
材料表面进行高能量密度的冲击，从而显著提高材料的表面硬度、
耐磨性和抗疲劳性能。

这项技术在工业制造领域有着广泛的应用，
特别是在航空航天、汽车制造、电子设备和医疗器械等领域。

从技术标准的角度来看，激光冲击强化的标准主要包括对激光
设备、工艺参数、材料要求、强化效果评定等方面的规范。

例如，
针对激光设备，标准可能包括设备的功率范围、波长要求、脉冲频
率等技术指标；对于工艺参数，标准可能规定激光冲击的能量密度、冲击深度、冲击速度等参数的要求；对于材料要求，标准可能包括
被强化材料的种类、形状、表面质量等方面的要求；强化效果评定
方面的标准可能涉及表面硬度测试、显微组织观察、疲劳性能测试
等内容。

此外，激光冲击强化的标准还可能涉及安全规范、质量控制要求、环境保护等方面的内容。

这些标准的制定和遵循有助于确保激
光冲击强化工艺的稳定性、可靠性和安全性，推动行业的健康发展。

总的来说，激光冲击强化的标准化工作对于推动技术进步、规
范产业发展、提高产品质量具有重要意义。

通过遵循相关标准，可
以更好地保障激光冲击强化工艺的应用效果，促进相关行业的发展。

激光冲击强化技术原理
激光冲击强化技术是一种利用激光脉冲能量在材料表面产生高温、高压和高速度效应，从而改善材料表面性能的先进技术。

通过激光的高能量和短脉冲时间，可以在较小的区域
内产生高温和高压，从而使材料在短时间内发生隆起和微爆裂，形成显著的压缩位错和塑
性形变区域，进而改善材料表面的力学性能、耐腐蚀性能以及磨损性能等方面的性能。

激光冲击强化技术的原理主要涉及激光脉冲能量与材料相互作用的过程。

激光脉冲能
量的传递过程是一个复杂的热载荷作用及热传递过程的相互作用过程。

当激光脉冲能量到达材料表面时，瞬间产生高温和高压，同时产生膨胀应力。

此时，
热负荷和应力隐藏在材料内部，经过一段时间的沉积确实起到提高材料表面性能的作用。

此外，激光冲击强化技术会产生大量的位错和裂纹，其中部分绕过形成压缩塑性区域，进
而增加材料的表面硬度和抗疲劳性能。

由于激光脉冲能量非常集中，因此在微观尺度下的作用效果远远高于传统表面处理工艺。

该技术不仅可以提高材料表面硬度和延展性，而且可以使材料的表面平整度和平滑度
得到显著提高，从而大幅度降低磨损和摩擦系数。

此外，由于激光脉冲能量的高速脉冲和
非常小的冲击区域，因此可以避免产生冷却过渡区域，达到材料表面的均质性。

总之，激光冲击强化技术是一种先进的表面处理技术，可以显著提高材料表面性能，
并更有效地应用于高温、高压、高速等条件下的重载工况下。

在航空航天、海洋石油、汽
车制造等领域中有广泛的应用前景。

激光冲击强化对变形控制的影响研究一、激光冲击强化技术概述激光冲击强化技术是一种利用高能激光脉冲对材料表面进行处理的先进表面改性技术。

该技术通过激光与材料表面的相互作用，产生高速等离子体，进而对材料表面施加冲击波，以改善材料的表面性能。

激光冲击强化技术能够有效提高材料的疲劳寿命、抗腐蚀性和耐磨性，因此在航空航天、汽车制造、能源工业等领域得到了广泛的应用。

1.1 激光冲击强化技术原理激光冲击强化技术的核心原理是利用高能激光脉冲在材料表面产生等离子体，等离子体的膨胀产生冲击波，这些冲击波穿透材料表面，引起材料内部的塑性变形，从而实现材料表面的强化。

激光冲击强化过程中，材料表面的温度升高，但不会超过材料的熔点，因此不会对材料造成热损伤。

1.2 激光冲击强化技术的应用场景激光冲击强化技术的应用场景非常广泛，主要包括以下几个方面：- 航空航天：在航空航天领域，激光冲击强化技术被用于提高飞机发动机叶片、外壳等关键部件的疲劳寿命和抗腐蚀性。

- 汽车制造：在汽车制造领域，激光冲击强化技术可以提高汽车发动机部件、传动系统等的耐磨性和抗疲劳性能。

- 能源工业：在能源工业，激光冲击强化技术用于提高风力发电机叶片、核电站压力容器等设备的耐久性。

二、激光冲击强化对变形控制的影响激光冲击强化技术在提高材料性能的同时，也对材料的变形控制产生了重要影响。

通过对材料表面进行精确的激光冲击处理，可以实现对材料变形的有效控制，这对于精密制造和结构设计具有重要意义。

2.1 激光冲击强化对材料微观结构的影响激光冲击强化过程中，材料表面受到冲击波的作用，导致材料内部的微观结构发生变化。

这些变化包括晶粒细化、位错密度增加、相变等，这些微观结构的变化直接影响材料的宏观力学性能，如硬度、韧性和疲劳强度。

2.2 激光冲击强化对材料表面粗糙度的影响激光冲击强化技术在改善材料表面性能的同时，也会对材料表面粗糙度产生影响。

激光冲击处理后的表面粗糙度通常会降低，这是因为激光冲击波能够去除材料表面的缺陷和不平整，从而实现表面平滑化。

激光冲击强化的作用激光冲击强化技术作为一种高新材料表面处理办法，可以有效提升金属材料的抗疲劳性能，在航空飞机/发动机制造业具有重要意义，且关系到国防航空装备，因此掌握该技术的欧美国家对我国实施技术封锁。

天瑞达公司立足国内研发力量，致力于激光冲击强化成套设备的系统集成与工业应用自动化控制开发。

依托空军工程大学的激光冲击强化理论与工艺研究，不断持续改进成套设备的可靠性与可控性。

激光冲击强化项目要真正从实验室走向工业化生产，必须满足的条件就是提高系统的自动化程度和可靠性，对强化过程的实时监控，这样才能保证激光冲击强化部件的质量。

目前在激光冲击强化技术在我国工业应用推广，成套设备是关键问题，首先我们需要知道激光冲击强化成套设备需要什么样的高功率激光器。

激光冲击强化技术最初开发于20世纪70年代初的美国贝尔实验室，我国著名物理学家钱临照教授早在60年代也提出过这方面的思想。

1972年，美国巴特尔学院（Battelle Memorial Institute）的Fairand B.P.等人首次用高功率脉冲激光诱导的冲击波来改变7075铝合金的显微结构组织以提高其机械性能，从此揭开了用激光冲击强化应用研究的序幕。

1978年秋，该实验室的Ford S.C等人与美国空军实验室联合，进行激光冲击改善紧固件疲劳寿命的研究，结果表明激光冲击强化可大幅度提高紧固件的疲劳寿命。

当时由于缺少可靠的、高脉冲频率的大功率激光器而未能实用化。

上世纪80年代后期，欧洲、日本、以色列等国家和地区纷纷开展了激光冲击强化技术研究。

但从公开报道的资料看，到目前为止，国际上还只有美国将激光冲击强化实际应用。

上世纪90年代在美国高频疲劳研究国家计划等支持下，美国利佛莫尔国家实验室和GE、MIC公司等联合深入开展了激光冲击强化技术的理论、工艺和设备的研究，使激光冲击强化技术获得了很大发展，逐步走向了实用，用于F110、F101、F414等发动机的生产和修理。

科技成果——激光冲击强化技术技术开发单位中国航空工业集团公司中航（沈阳）高新科技有限公司技术简介激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波，可在深度大于1mm的零部件表面产生压缩表面残余应力，提高零部件的抗损伤裕度及疲劳性能，与冷挤压、喷丸等金属材料表面强化手段相比，具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。

目前国外发达制造企业已广泛使用该项技术，近年来，国内不少学者对激光冲击强化装备专用激光器也进行了大量的研究。

现阶段国内各研究机构拥有的激光冲击强化专用激光器设备都处于实验应用阶段，重复频率低，光束质量差，各参数调整困难，系统可操作性低，离激光冲击强化工业化应用有相当的距离。

激光冲击强化工艺具有众多的优越性，应用前景十分广泛。

要想走出研究而达到工业化应用的程度，就必需立足于国内的相关技术，开发出具有自主知识产权的激光冲击强化工艺技术和设备，并将其作为产业化来发展。

技术开发单位突破多领域关键零部件表面强化方面的瓶颈，建立激光冲击强化的示范应用平台，提高多领域关键零部件的抗疲劳和抗拉应力腐蚀等性能指标，进一步解决我国多领域关键零部件疲劳断裂问题。

进而在金属零部件表面处理市场，特别是在关键产品防疲劳失效市场上进行推广，从而突破国外对我国的技术封锁，缩小与国外的技术差距。

本着仿真与实验相结合，材料加工机理、工艺规划与装备研制并行进行的原则进行。

在约束层厚度、涂层厚度和激光参数以及激光冲击强化工艺等方面加大研究力度，掌握复杂曲面零件激光强化的规律，从而在激光强化工艺指导下明确激光强化参数、路径规划和相关配套装置与单元的特点与要求，研究出相应的关键零部件关键工艺技术及软件。

技术指标开发出激光冲击强化装备，并摸索出适合的激光冲击强化工艺参数。

通过该项装备的开发及应用，可以在关键零部件表面获得比常规强化技术更深的残余压应力层，从而大幅度提高关键零部件的疲劳寿命。

项目所需实现的具体考核指标包括：（1）激光冲击强化装备的考核指标：激光器形式为单路，重复频率为1-2Hz，单脉冲能量大于20J，脉宽为10-20ns，工作光斑为边长3-5mm的方形光斑，约束层厚度1-4mm（可调）；激光强化设备可以实现关键零部件的自动化加工。

激光冲击强化机理研究激光冲击强化（LaserShockPeening，简称LSP）是一种新型金属表面强化技术，它可以有效提高金属表面的抗疲劳性能。

LSP技术利用穿透式激光照射产生的强大冲击波，使表面产生局部深度软化，再通过微结构的改变从而获得强化效果。

随着激光技术的快速发展，LSP技术已经从实验室走向了实际应用，在航空、航天及汽车工业中得到广泛应用。

然而，对于LSP技术的基本机理还没有得到充分的阐明，在继续深入研究LSP改性机理的基础上，可以有效的提高LSP的应用效率。

LSP技术的基本原理是利用穿透式激光照射产生的高强度激光冲击波，引起金属表面的局部区域产生瞬时的高温和高压条件，局部材料因受到激光照射的冲击而对原有结构发生改变，从而实现对金属材料性能的改变。

LSP技术所产生高温、高压条件带来的机理可以归纳为以下三个方面：Femtosecond离子体技术、熔融塑性机理和微缺口封填机理。

首先，Femtosecond离子体技术是LSP技术的基本机理，它利用超短的激光脉冲产生的等离子体对材料表面进行热冲击，从而产生表面改性。

其次，熔融塑性是指激光冲击波引起的材料表面局部热塑性变形机制，通过激光照射使材料表面瞬时凝固，同时形成晶格超晶格改变，从而实现机械强化。

最后，微缺口封填机理是指材料表面激光冲击波引起的微缺口产生过程，当激光冲击波使材料表面材料瞬时气化，气泡、孔洞和裂纹的形成，然后冷却后，冷却的气化裂纹会变得紧密，形成致密的表面，从而达到强化金属表面的目的。

此外，激光冲击强化的改性效果不仅取决于冲击波的质量，还与材料的性质，激光技术参数，外部条件和表面结构等有关。

这些因素会影响LSP技术的微观结构改变，从而影响表面改性效果。

因此，研究LSP改性机理，尤其是研究不同表面结构，不同性质和外部条件对激光冲击强化改性效果的影响，对于提高LSP技术的应用效率具有重要意义。

目前，对LSP技术的研究主要集中在量子化学模拟、材料表征、弹性模拟和强度测试等方面，并已成功应用于航空、航天及汽车工业中的金属材料研究中。