激光冲击强化铝合金力学性能及微观塑性变形机理研究

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。

激光冲击强化技术原理及其应用研究下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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第51卷2023年3月第3期第29-38页材料工程J o u r n a l o fM a t e r i a l sE n g i n e e r i n gV o l.51M a r.2023N o.3p p.29-38增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展R e s e a r c h p r o g r e s s i nd e f e c t s a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f a d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e da l u m i n u ma l l o y李雯哲1,钱锋1,2*,程兴旺1,2,3(1北京理工大学材料学院,北京100081;2北京理工大学冲击环境材料技术国家级重点实验室,北京100081;3北京理工大学唐山研究院,河北唐山063003)L IW e n z h e1,Q I A NF e n g1,2*,C H E N G X i n g w a n g1,2,3(1S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,B e i j i n g100081,C h i n a;2N a t i o n a lK e y L a b o r a t o r yo f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o n M a t e r i a l sU n d e r S h o c ka n dI m p a c t,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,B e i j i n g100081,C h i n a;3T a n g s h a nA c a d e m y,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,T a n g s h a n063003,H e b e i,C h i n a)摘要:铝合金是一种重要的轻质金属结构材料,广泛应用于航空航天和交通运输等领域㊂行业的快速发展对铝合金零件的服役性能和制备过程都提出了更高的要求,传统减材制造已难以满足对铝合金零件高效敏捷㊁绿色环保的制备要求㊂增材制造作为一种新兴的快速成形技术,为铝合金零件的制备提供了一个崭新的思路㊂然而,由于增材制造的工艺特点和铝合金的本征性质,通过增材制造技术制备的中高强铝合金零件中易形成诸多缺陷,严重损害其力学性能,限制其实际生产应用㊂本文综述了增材制造中高强铝合金零件中的缺陷类型及其成因,并从优化工艺参数㊁合金成分和添加形核剂三个方面,重点讨论了目前消除增材制造中高强铝合金零件中缺陷,改善其力学性能的进展及发展趋势,并指出未来改善增材制造中高强铝合金微观组织和力学性能的努力方向应为综合调控工艺参数和合金成分,进一步探索增材制造铝合金的最佳热处理工艺,从而获得高强塑性增材制造铝合金㊂关键词:中高强铝合金;增材制造;缺陷;优化工艺参数;优化合金成分;添加形核剂d o i:10.11868/j.i s s n.1001-4381.2022.000038中图分类号:T G146.2+1文献标识码:A 文章编号:1001-4381(2023)03-0029-10A b s t r a c t:A l u m i n u ma l l o y i s a n i m p o r t a n t l i g h tm e t a l s t r u c t u r a lm a t e r i a l,w h i c hh a s b e e nw i d e l y u s e d i na e r o s p a c ea n dt r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r i e s.W r o u g h ta l u m i n u m a l l o y s g e n e r a l l y r e q u i r ee x t r u s i o n, r o l l i n g o r f o r g i n g a f t e rc a s t i n g t ob e p r o c e s s e di n t of i n i s h e d p r o d u c t s.H o w e v e r,t h i sc o n v e n t i o n a l c a s t i n g-d e f o r m i n g-c u t t i n g s u b t r a c t i v e m a n u f a c t u r i n g r o u t eh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l y d i f f i c u l t t o m e e t t h e m a n u f a c t u r i n g d e m a n d so fh i g h e f f i c i e n c y a n d e n v i r o n m e n t a ls u s t a i n a b i l i t y.A sa n e m e r g i n g m a n u f a c t u r i n g m e t h o d,a d d i t i v e m a n u f a c t u r i n g(AM)p r o v i d e s b r a n d-n e w p o s s i b i l i t i e s f o r t h e m a n u f a c t u r i n g o f a l u m i n u m a l l o y sb y d e p o s i t i n g s u b s e q u e n t l a y e r sb a s e do nd i g i t a ld r a w i n g f i l e s t o m a k e t h r e e-d i m e n s i o n a l o b j e c t s.H o w e v e r,m o s t a l u m i n u ma l l o y s a r e s u f f e r i n g f r o mt h e v a r i o u s d e f e c t i s s u e sd u et ot h e m a n u f a c t u r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fl a s e r-b a s e d AM p r o c e s s e sa n ds e v e r a l i n t r i n s i c p r o p e r t i e so fa l u m i n u m a l l o y s,w h i c hi m p a i rt h e i r m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dl i m i tt h e i ri n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s.V a r i o u s d e f e c t s a n d c o r r e s p o n d i n g c a u s e s i na d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e dm e d i u m-a n dh i g h-s t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y sw e r er e v i e w e d i nt h i s p a p e r.I na d d i t i o n,l a t e s t r e s e a r c h e so ne l i m i n a t i n g d e f e c t s a n d t h u s i m p r o v i n g m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fAMa l u m i n u ma l l o y sw e r e s u m m a r i z e d f r o mt h r e e a s p e c t s:p r o c e s s p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n,a l l o y c o m p o s i t i o no p t i m i z a t i o na n dn u c l e a n t a g e n t a d d i t i o n.Copyright©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月T h i s w o r k d e m o n s t r a t e s t h a t p r o c e s s i n g p a r a m e t e r a n d a l l o y c o m p o s i t i o n s h o u l d b e r e g u l a t e d s y n e r g i s t i c a l l y t o i m p r o v et h e m i c r o s t r u c t u r e sa n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fa d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d m e d i u m-a n dh i g h-s t r e n g t ha l u m i n u m a l l o y,a n dt h eo p t i m a lh e a tt r e a t m e n ts h o u l da l s ob ei n v e-s t i g a t e d.K e y w o r d s:m e d i u m-a n dh i g h-s t r e n g t h a l u m i n u ma l l o y;a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g;d e f e c t;p r o c e s s p a r a m e-t e r o p t i m i z a t i o n;a l l o y c o m p o s i t i o no p t i m i z a t i o n;n u c l e a n t a g e n t a d d i t i o n铝合金因具有比强度高㊁导热导电性良好和耐腐蚀等优点,一直作为最重要的轻质金属结构材料被广泛应用于航空航天㊁交通运输㊁电力传输㊁机械制造㊁核电和建筑等国家战略产业[1]㊂如今这些行业的快速发展不仅要求铝合金具有优良的服役性能,对其制备过程也提出了越来越高的要求,传统的减材制造方法已难以满足对铝合金零件高效敏捷㊁绿色环保的制备要求㊂因此,探索更为稳定㊁智能的铝合金零件制备方法成为铝合金行业亟待解决的难题㊂增材制造是一种新兴的快速成形技术,其本质是以数字化模型为基础,在计算机的指令下,将金属粉末或丝材通过逐道次㊁逐层制造的方式制备成三维金属零件㊂因此,增材制造能够摆脱模具的限制,以近净成形的方式高效制备结构高度复杂的金属零件,为铝合金零件的制备提供了崭新的思路㊂然而,增材制造往往采用激光束或电子束作为能量源,使合金在极高的温度梯度和冷却速率条件下发生凝固;此外,中高强铝合金具有高热导率和激光反射率㊁宽凝固温度范围等本征性质㊂因此,采用增材制造技术制备的中高强铝合金零件中易形成诸多缺陷,其中热裂纹问题最为严重,损害零件的力学性能和使用安全性,限制其实际生产应用㊂本文总结了增材制造中高强铝合金零件中的缺陷类型及其成因,并从优化工艺参数㊁合金成分和添加形核剂三个方面,重点讨论消除增材制造中高强铝合金零件中缺陷,改善其力学性能的进展和发展趋势㊂1中高强铝合金铝合金是以纯铝为基础的合金总称,主合金元素有铜㊁硅㊁锰㊁锌㊁镁等,微量合金元素包括镍㊁铁㊁钛㊁铬㊁锂等[1],根据主合金元素的不同可分为八大类铝合金[2]㊂其中2ˑˑˑ(A l-C u),6ˑˑˑ(A l-M g-S i)和7ˑˑˑ(A l-Z n-M g)系铝合金为中高强铝合金,都属于可热处理强化型铝合金,经过固溶+高温人工时效(160~200ħ)热处理后可达到峰值时效(T6)状态㊂T6态中高强铝合金的高密度纳米析出强化相阻碍位错运动,产生时效强化效果使其强度达到最高值㊂2/6/7ˑˑˑ系中高强铝合金中的合金元素含量较低,都属于变形铝合金[3]㊂目前铝合金零件的制备主要依靠 铸造 变形加工 去除切削 热处理 流程[4],首先通过熔炼和铸造生产出铝合金铸坯锭,随后对其进行轧制㊁挤压㊁冷拔㊁锻造或冷冲变形加工,制成板㊁带㊁管㊁棒或线状铝合金零件半成品,最终通过去除处理(如铣削㊁锯切等方式)和热处理得到自由形状铝合金零件成品㊂不难看出,上述传统制造过程会产生大量工业废气废水㊁铝灰废渣和工业噪声等㊂进入21世纪以来,世界各国普遍意识到 节能减排,绿色发展 的必要性,我国更是提出 努力争取2060年前实现碳中和 的奋斗目标,因此,响应国家优化能源结构㊁建立健全绿色低碳循环发展的号召,探索更为环境友好的中高强铝合金制造方法成为亟待解决的难题㊂2金属增材制造2.1金属增材制造特点金属增材制造的过程可分为4步:(1)通过计算机辅助设计-计算机辅助制造(C A D-C AM)软件建模,设计出所需要的复杂结构[5];(2)将三维模型转化为S T L格式的文件,即将物体模型的所有表面都近似处理为多边形结构[6];(3)将S T L格式的模型分切成无数个横截面,即逐层切片[7];(4)指导打印机逐层㊁逐行㊁逐点打印㊂金属增材制造颠覆了传统减材制造的流程规划和理念模式,对传统制造业向现代制造业的转变产生了深刻影响[8-9]㊂增材制造的显著特征可概括为以下3点:(1)近净成形,仅需要少量甚至无须后加工,一方面节省大量工序而节约制造成本,另一方面节约大量原材料而提高材料利用率;(2)敏捷成形,成形速率快,提高实际生产效率;无须模具,在前期产品设计阶段可以随时根据设计好的成品来调试,从而实现设计快速迭代而缩减反复开模所耗费的成本及时间;(3)自由成形,通过逐层制造摆脱模具限制,提高设计自由度和制造灵活度,可以实现高度复杂结构制造,提高产品的个性化程度㊂03Copyright©博看网. All Rights Reserved.第51卷 第3期增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展2.2 金属增材制造技术分类目前金属直接增材制造技术可大致分为直接能量沉积技术(d i r e c t e n e r g y d e po s i t i o n ,D E D )和粉末床熔融技术(p o w d e r b e d f u s i o n ,P B F )㊂其中,D E D 又可分为激光熔融沉积(l a s e rm e l t i n g d e p o s i t i o n ,L M D )和电弧增材制造(w i r e a r c a d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e ,W A A M ),P B F 又可分为选区激光熔融(s e l e c t e d l a s e rm e l t i n g ,S L M )和电子束选区熔融(e l e c t r o nb e a ms e l e c t i v em e l t i n g,E B S M )㊂表1为各类增材制造技术及其特点[10]㊂D E D 适用于大体积零件制造,其中L M D 更适用于材料-结构-性能一体化制造,而W A A M 具有低成本的特点;P B F 则更适用于小尺寸精密零件制造,其中S L M 制造的零件精度更高㊁表面质量更好,而E B S M 制造产生的残余应力更低㊂因此,研究人员可以根据金属零件的用途选择合适的增材制造技术,利用合适的金属粉末或丝材制造出金属零件成品或半成品㊂表1 各类增材制造技术及其特点[10]T a b l e 1 D i f f e r e n t a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g t e c h n i qu e s a n d f e a t u r e s [10]A d d i t i v em a n u f a c t u r i n g R a w m a t e r i a lE n e r g y s o u r c eF e a t u r eD E D L M D M e t a l p o w d e r L a s e r b e a m H i g he f f i c i e n c y f o rm a n u f a c t u r i n g ;h i g h f l e x i b i l i t y;s u i t a b l e f o r l a r g e -v o l u m e p a r t s ;s u i t a b l e f o rm u l t i p l em a t e r i a l sm i x i n gWA AMM e t a lw i r e L a s e r b e a m H i g hm a t e r i a l a v a i l a b i l i t y ;l o w p r o d u c t i o nc o s t ;s u i t a b l e f o r l a r ge -v o l u m e p a r t s P B F S L M M e t a l p o w d e r L a s e r b e a m H i g ha c c u r a c y ;s u i t a b l ef o r h igh l y c o m p l e x p a r t s ;hi gh s u r f a c e q u a l i t y ;lo wl a s e r p o w e r E B S MM e t a l p o w d e rE l e c t r o nb e a mL o wr e s i d u a l s t r e s s ;h i g he f f i c i e n c y fo r t h e d e f l e c t a b l e e l e c t r o n b e a m3 增材制造中高强铝合金的缺陷目前,增材制造中高强铝合金仍然存在一些不可忽略的问题和挑战[11-13]㊂一方面,在激光/电子束增材制造过程中会引入很大的温度梯度(约106K/m )和凝固速率(约10-2m /s)[14],这将导致极高的冷却速率|̇T |(约104K /s ),因此容易形成柱状晶晶粒形貌[15-16],如图1所示[15];另一方面,由于中高强铝合金的某些本征性质,通过增材制造技术制备时容易形成各类缺陷而损害其性能㊂目前可用于增材制造的铝合金还局限于近共晶成分铝合金,如A l S i 10M g[17-18],A l S i 12[19-21],A l S i 7M g 0.3(A 356)[22-23],A l -10C e [11]和图1 合金凝固过程中的凝固速率㊁温度梯度和晶粒形貌之间的关系[15]F i g .1 R e l a t i o n s h i p b e t w e e ns o l i d i f i c a t i o n r a t e ,t e m pe r a t u r e g r a d i e n t a n dm i c r o s t r u c t u r e d u r i n g a l l o y so l i d i f i c a t i o n [15]A l -N i [24]合金等㊂3.1 热裂纹铝合金在增材制造过程中表现出极高的热裂纹敏感性,其中以凝固裂纹问题最为严重㊂热裂纹往往会沿着粗大柱状晶之间的晶界开裂,并贯穿于多层打印层之间,严重损害其机械强度㊁疲劳寿命和断裂韧度㊂铝合金极高的热裂纹倾向性主要与本征性质有关㊂(1)热导率较高[25]㊂在增材制造很高的加工温度下,铝合金凝固时很难获得足够的过冷度,因此凝固形核率低,普遍形成柱状晶的微观结构㊂(2)激光反射率高[26]㊂对于波长为1064n m 的激光吸收率仅为5%~15%,为了使铝合金粉末充分熔化凝固,需要提高增材制造过程中的激光功率[27],故加工过程中的温度梯度和冷却速率进一步提高,形成的柱状晶较其他材料而言也更为粗大㊂(3)中高强铝合金的凝固温度范围普遍较大(固/液相线距离远)[28]㊂如7075铝合金的凝固范围为Δ170K (如图2(a )橙色线所示),而A l S i 10M g 合金的凝固范围仅为Δ30K (如图2(a )蓝色线所示)[29]㊂因此,不同于A l S i 10M g 中的短小枝晶,中高强铝合金凝固时有较长时间处于液固共存状态(糊状区),在缺少形核位点的情况下进而形成枝晶和枝晶间液体长通道(图2(b ))[29],这将导致:①枝晶内和枝晶间在凝固过程中的凝固程度不同,易引入热应力而促进热裂纹萌生[30-31];②糊状区的枝晶网络错综复杂,阻碍液体向体13Copyright ©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月图2增材制造铝合金的凝固行为[29](a)凝固曲线;(b)不同凝固温度区间下的凝固机理图F i g.2 S o l i d i f i c a t i o nb e h a v i o r o f a d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d a l u m i n i u ma l l o y s[29] (a)s o l i d i f i c a t i o n c u r v e s;(b)s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o no f s o l i d i f i c a t i o nu n d e r d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e r a n g e s积收缩区域流动,导致中高强铝合金的流动性差,难以弥补体积收缩区域的体积变化,从而促进热裂纹萌生[28,32]㊂(4)合金在激光增材制造凝固过程中温度梯度极大,易引入大量热应力[33-34],再加上中高强铝合金的热膨胀系数大[27],凝固时体积收缩明显,极易在柱状晶薄弱晶界处形成热裂纹(凝固裂纹)[35],且由于柱状晶较为粗大,热裂纹往往会存在于数层打印层之间㊂(5)合金元素在增材制造快速凝固过程中来不及充分扩散,易在能量㊁结构㊁成分起伏较大的晶界处富集[29]㊂因此,当铝合金完全凝固后,在柱状晶间的晶界处会形成大量脆性金属间化合物,在逐层累积的热应力作用下容易作为热裂纹萌生源而发生开裂(液化裂纹)㊂3.2孔洞孔洞的存在也会降低材料的致密度而损害其性能㊂中高强铝合金在增材制造过程中易形成匙孔㊁气孔和未熔合缺陷(图3)㊂孔洞特征和形成原因为:(1)匙孔:大型不规则孔洞(图3(a))㊂铝合金粉末中的M g,Z n等元素沸点较低,分别为1107ħ和907ħ㊂在较高激光能量作用下易发生选择性蒸发,产生朝向熔池底部的㊁大于液态金属表面张力的反冲压力,形成轮廓凹凸不平㊁内部空腔的匙孔㊂(2)气孔:球形孔洞(图3(b))是增材制造金属中最普遍的孔洞类型㊂铝合金粉末的吸湿度较高[36-37],水分子在高激光功率的作用下形成氢气,而氢气在液态㊁固态铝合金中的溶解度变化极大,分别为0.65 m L/100g和0.034m L/100g[6,38],即在铝合金凝固时氢气的溶解度降低近100%㊂但是,铝合金在3D打印过程中的凝固速率极快,这部分多余的氢气来不及充分扩散而被困在固态铝合金中,最终形成氢孔㊂(3)未熔合缺陷:小型不规则孔洞(图3(c))㊂铝合金粉末的激光反射率高,导致激光熔融过程中用于熔化合金粉末颗粒的激光能量不足,使相邻层之间的熔融重叠不充分,从而导致相邻层间形成未熔合孔洞㊂图3各类孔洞尺寸示意图(a)匙孔;(b)气孔;(c)未熔合缺陷F i g.3 S c h e m a t i c d i a g r a m s o f d i f f e r e n t p o r o s i t i e s(a)k e y h o l e;(b)g a s p o r e;(c)l a c ko f f u s i o nd e f e c t23Copyright©博看网. All Rights Reserved.第51卷第3期增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展此外,铝合金粉末的流动性较差[39-40],难以连续㊁稳定地送入熔池中,再加上铝合金粉末颗粒表面易形成合金氧化物,均导致铝合金粉末颗粒与基材接触不良㊂基于最小表面能原理,液态金属在表面张力的作用下可能会收缩为球形,这种球化作用同样会使铝合金形成未熔合缺陷㊂3.3元素挥发增材制造过程中的激光能量较高,若合金中某些元素的沸点低于合金母材沸点,则可能会发生选择性蒸发㊂表2为S L M增材制造铝合金的化学成分㊂铝合金粉末中的M g,Z n等元素在较高激光功率熔融时易挥发[25],合金成分易发生波动而引起成分变化,这表2S L M增材制造铝合金的化学成分(质量分数/%)T a b l e2 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e da l u m i n u ma l l o y s(m a s s f r a c t i o n/%)A l l o y A l l o y s t a t e Z n M g N i M n C u F e C r S i T i A l A A2017A l l o yp o w d e r0.210.720.0090.5704.000.400.0160.5600.051B a lP r o t o t y p i n gp a r t0.070.480.0130.6103.900.500.0350.5800.031B a l A A7020A l l o yp o w d e r4.301.300.0060.2900.100.290.1300.0770.025B a lP r o t o t y p i n gp a r t3.001.000.0090.3000.170.310.1400.1300.024B a l A A7075A l l o yp o w d e r5.802.600.0070.0541.400.250.1800.0810.034B a lP r o t o t y p i n gp a r t3.902.100.0070.0571.500.270.2000.1100.036B a l将改变材料的凝固组织㊁力学性能和耐腐蚀性等㊂3.4氧化现象由于氧化铝的热力学稳定性较高,铝合金粉末表面极易产生氧化膜㊂尽管增材制造过程中不断充入惰性气体,但真空腔室中仍会有0.1%~0.2%的氧气残留,这导致在逐层打印过程中会发生氧化现象[9]㊂一方面,增材制造过程中的氧化现象会显著降低增材制造铝合金的零件质量;另一方面,打印层之间的氧化会导致下一打印层中的合金粉末颗粒团聚,使粉末分布不均匀,严重损害零件的结构完整性和精度㊂因此,抑制氧化膜的形成不仅可以提高增材制造铝合金零件的质量,还可以有效改善其力学性能㊂4增材制造中高强铝合金的研究进展研究表明,增材制造金属零件中普遍存在孔洞缺陷[41]㊂这种缺陷是难以避免的,即使后续进行热处理(如应力释放㊁退火和热等静压等)和表面处理(如机械/电解抛光㊁喷丸处理和振动磨削等)也很难将其完全消除[42-44]㊂然而,增材制造金属零件中的热裂纹是可以消除的㊂4.1优化工艺参数优化工艺参数[28,45-46],是通过调控合金凝固时的冷却速度和温度梯度,控制柱状晶的生长,减少热应力的逐层累积,最终达到消除增材制造中高强铝合金零件中的热裂纹的目的㊂增材制造常规的工艺参数主要包括激光功率㊁扫描速度㊁扫描策略㊁激光移动间距㊁层厚和束斑直径等㊂L M D增材制造工艺参数还包括送粉速率㊂目前研究大多通过调控激光功率和扫描速度这2个工艺参数来抑制热裂纹的形成㊂C a i a z z o等[47]采用L M D制备2024铝合金零件,研究发现在送粉速率为3g/m i n㊁束斑直径为3m m 下,激光功率为2.5k W㊁扫描速度为420m m/m i n是最佳的工艺参数,此时零件的几何稳定性最好㊁表面质量最佳㊂Z h a n g等[13]采取S L M制备A l-C u-M g(成分近2024)铝合金,研究发现通过调控扫描速度和激光间隔距离,将激光能量密度提高至340J/m m3以上可以保证零件致密度并消除其中的热裂纹,其原始态抗拉强度可达402M P a㊂D e n g等[48]采用S L M制备2124铝合金零件,研究发现使用中空结构的栅栏支架可以有效释放热应力,从而抑制热裂纹形成㊂激光功率为150W㊁扫描速度为100m m/s时的零件致密度最高㊁力学性能最佳,原始态抗拉强度可达301M P a㊂O k o等[49]采用S L M制备7075铝合金零件,研究发现适当提高激光功率㊁降低扫描速度和激光移动距离可以有效提高零件致密度和硬度㊂此外,研究人员发现当采用P B F增材制造金属零件时,粉末床温度也可作为工艺参数变量进行调控,从而减弱热应力的累积而抑制热裂纹萌生㊂K e n e v i s i 等[50]采用E B S M制备2024铝合金零件,研究发现在将粉末床温度固定为350ħ的基础上,通过调控扫描速度将输入能量密度控制在43J/m m3时的零件致密度最高㊁力学性能更佳,原始态抗拉强度可达314M P a㊂U d d i n等[45,51]采用S L M制备6061铝合金零件,研究发现将粉末床温度从室温提高至500ħ可以有效抑制热裂纹形成,但其力学性能仍远低于铸造6061铝合金(硬度54H V,屈服强度60M P a,抗拉强度130M P a,33Copyright©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月均匀伸长率15%)㊂M a a m o u n 等[52]采用S L M 制备6061铝合金零件,在将粉末床温度固定为200ħ的基础上,研究发现在激光功率为370W ㊁扫描速度为1000m m /s ㊁激光间隔距离为0.19m m (能量密度为47.2J /m m 3)时的热裂纹尺寸最小㊁数量最少,此时抗拉强度达最大值为184M P a ㊂然而,K a u f m a n n 等[12]采用S L M 制备7075铝合金零件时,研究发现将粉末床温度提高至200ħ并不能有效抑制热裂纹的形成㊂4.2 优化合金成分优化合金成分可以通过调控合金中S i ,N i 等元素的含量,提高共晶相的含量,并缩小合金凝固时的温度范围,从而改善合金的流动性并抑制合金的热膨胀;也可以通过调控合金中Z r ,S c 等元素的含量,提高铝合金凝固时的成分过冷度,从而提高凝固形核率而细化晶粒形貌,最终达到抑制热裂纹的萌生㊂M o n t e r o -s i s t i a ga 等[53]和O t a n i 等[54-55]均采取S L M 制备7075铝合金零件,研究发现提高合金中S i元素的含量可以使原粗大柱状晶明显细化,解决了热裂纹问题(图4(a )~(d)[53]),其原始态抗拉强度可达537M P a ,伸长率9.7%㊂L i 等[56]采用S L M 制备7075铝合金零件,研究发现引入S i 和Z r 元素可以促使形成等轴-柱状双晶粒结构(图4(e )),有效抑制热裂纹的产生,在激光功率为300W 时可达到最佳力学性能,原始态屈服强度为397M P a ,抗拉强度为446M P a ,伸长率为6.5%㊂在采用S L M 制备6061铝合金零件方面,M e h t a等[57]通过气雾化制备了6061-0.01Z r 铝合金粉末,C a r l u c c i o 等[58]和Q b a u 等[59]制备了6061-S c 铝合金粉末㊂研究发现,引入Z r 或S c 元素可以细化粗大柱状晶,并在熔池边界处形成等轴晶(图4(f ),(g)[57]),有效抑制热裂纹的萌生和外延生长,显著改善S L M 增材制造6061铝合金的力学性能,其中6061-0.01Z r的原始态抗拉强度为268M P a ,伸长率为26.5%㊂图4 7075(a )和7075-4S i (b )的OM 图[53],7075(c )[53],7075-4S i (d )[53],7075-S i -Z r (e )[56],6061(f )[57]和6061-0.01Z r (g)[57]的E B S D 图F i g .4 OMi m a g e s o f 7075(a )a n d 7075-4S i (b )[53],E B S D i m a ge s of 7075(c )[53],7075-4S i (d )[53],7075-S i -Z r (e )[56],6061(f )[57]a n d 6061-0.01Z r (g)[57]4.3 添加形核剂添加形核剂引入异质形核位点可以促进柱状晶向等轴晶转变,利用等轴晶粒比柱状晶更易旋转和变形㊁更能承受高热应力的特点而减弱热裂纹倾向性,并削弱成品零件的各向异性㊂目前研究普遍采用在中高强铝合金粉末中引入含Z r ,S c 或T i 元素的形核剂,从而增加形核位点㊂4.3.1 添加含Z r /S c 元素的形核剂M a r t i n 等[29]采用S L M 制备6061和7075铝合金零件时,通过在铝合金粉末中加入Z r H 2形核剂粉末,成功将粗大柱状晶转变为等轴晶晶粒形貌,基本消除热裂纹(图5(a )~(d ))㊂O p pr e c h t 等[46,60]采取S L M 制备6061铝合金零件,并通过加入2%(体积分数)的Y S Z 粉末(94.3Z r O 2-3.6Y 2O 3-1.7H f O 2-0.4A l 2O 3)形成明显的等轴-柱状双晶粒结构,此时等轴晶区域面积足够大,可以完全消除其中的热裂纹(图5(e ),(f))[46]㊂通过透射电子显微镜和X 射线衍射分析,O p pr e c h t 认为在激光作用下Y S Z 颗粒首先熔化或发生其他化学反应,释放出大量Z r 原子,在随后的凝固过程中以A l 3Z r 第二相的形式在熔池边界处析出,为α-A l 的凝固提供大量形核位点,从而促使在熔池边界处形成等轴晶㊂43Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第51卷 第3期增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展图5 S L M 增材制造7075(a )和7075/Z r H 2(b )的S E M 图[29],7075(c )[29],7075/Z r H 2(d )[29],6061-2%Y S Z (e )[46]的E B S D 图,以及6061-2%Y S Z (f)的OM 图[46]F i g .5 S E Mi m a g e s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d 7075(a )a n d 7075/Z r H 2(b )[29],E B S D i m a g e s o f 7075(c )[29],7075/Z r H 2(d )[29],6061-2%Y S Z (e )[46],a n dOMi m a g e of 6061-2%Y S Z (f )[46]4.3.2 添加含T i 元素的形核剂T a n 等[61]采用S L M 制备2024铝合金零件,并通过在2024铝合金粉末中加入纯T i 纳米颗粒,成功将粗大柱状晶转变为细小等轴晶(图6(a )~(d )),并完全消除热裂纹,其T 6态的屈服强度为286M P a ,抗拉强度为432M P a ,伸长率为10%㊂C a r l u c c i o 等[58]采用S L M 制备6061铝合金零件,并通过在6061铝合金粉末中添加T i B o r细化剂,成功将粗大柱状晶完全转变为等轴晶㊂L e i 等[62]和J i a n g 等[63]采用LM D 制备7075铝合金零件,并通过加入4%(质量分数)的T i B 2形核剂粉末,成功将粗大柱状晶转变为等轴晶(图6(e ),(f))[62],其平均晶粒尺寸降低至16.8μm ,硬度提高至128H V ㊂C h e n 等[64]采用L M D 制备2024铝合金零件,并通过加入0.5%(质量分数)的T i B 2形核剂粉末,成功将粗大柱状晶转变为等轴晶,其平均晶粒尺寸从431μm 降低至114μm ㊂W a n g 等[65]采用S L M 制备A l -3.5C u -1.5M g-1S i (成分近2024)铝合金零件,研究发现加入5%(体积分数)的T i B 2形核剂粉末可以产生明显的晶粒细化效果,其原始态平均晶粒尺寸从23μm 降低至2.5μm ,原始态屈服强度从157M P a 提高至191M P a㊂5 结束语增材制造常规的工艺参数可分为能量相关工艺参数和几何相关工艺参数㊂能量相关工艺参数包括激光功率㊁扫描速度㊁束斑直径等,与金属粉末颗粒的逐点熔化有关,主要保证提供连续的能量输入;而几何相关工艺参数包括激光间隔距离㊁层厚㊁扫描方式等,体现了各扫描轨道和各层的熔融制造存在一定间隔㊂由于增材制造逐点㊁逐道次㊁逐层的制造特点,故在制造过程中存在本征的层间停留时间等非常规工艺参数,这些增材制造工艺参数也会对成品零件的微观结构和力学性能产生显著影响㊂合金成分决定了溶质原子的分布情况和扩散过程,而溶质原子是产生成分过冷的根本原因,因此合金成分对晶粒形貌有着决定性作用㊂在增材制造中高强铝合金时,可以通过调控合金元素含量而优化合金成分,也可以通过添加形核剂而引入异质形核位点,二者都可以用于改善增材制造中高强铝合金的微观组织并提高其力学性能㊂总而言之,工艺参数和合金成分是影响增材制造中高强铝合金的微观结构和力学性能的两个关键性因素,二者相互影响㊁相互依存,均通过控制热作用和溶质再分配作用而影响增材制造中高强铝合金的微观组织和力学性能㊂然而,当前有关增材制造中高强铝合金的研究中,针对工艺参数和合金成分的优化探索较为分裂,在未来,需要将二者相结合㊁相配合,以综合改善增材制造中高强铝合金的微观组织和力学性能㊂53Copyright ©博看网. All Rights Reserved.材料工程2023年3月图6S L M增材制造2024(a)和2024-T i(b)OM图[61],S L M增材制造2024(c)[61]和2024-T i(d)[61],L M D增材制造7075(e)[62]和7075-4T i B2(f)[62]的E B S D图F i g.6 OMi m a g e s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d2024(a)a n d2024-T i(b)[61],E B S D i m a g e s o f S L Ma d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d2024(c)[61]a n d2024-T i(d)[61],L M Da d d i t i v e l y m a n u f a c t u r e d7075(e)[62]a n d7075-4T i B2(f)[62]值得注意的是,增材制造铝合金时M g,Z n等元素的挥发会使合金成分发生波动,在通过调控合金元素含量或添加形核剂而优化晶粒形貌的研究中,合金成分更是发生明显改变㊂此时,适用于传统铝合金的热处理方法已不再适用于增材制造铝合金,因此,未来需要进一步探索增材制造铝合金的最佳热处理工艺,从而获得高强塑性增材制造铝合金㊂参考文献[1] D A V I S JR.A l u m i n u ma n d a l u m i n u ma l l o y s[M].R u s s e l l,U S A:A S Mi n t e r n a t i o n a l,1993:352-356.[2] N A K A IM,E T O T.N e wa s p e c t o f d e v e l o p m e n t o f h i g hs t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y s f o r a e r o s p a c e a p p l i c a t i o n s[J].M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g:A,2000,285(1/2):62-68.[3]谢水生,刘静安,徐骏,等.简明铝合金加工手册[M].北京:冶金工业出版社,2016:36-40.X I ESS,L I UJA,X UJ,e t a l.C o n c i s em a n u a l f o r a l u m i n u ma l l o y p r o c e s s i n g[M].B e i j i n g:M e t a l l u r g i c a l I n d u s t r y P r e s s,2016:36-40.[4] M C Q U E E N HJ,S P I G A R E L L I S,K A S S N E R M E,e t a l.H o t d e-f o r m a t i o na n d p r o c e s s i ng o fa l u m i n u m a l l o y s[M].B o c aR a t o n,F l o r i d a,U S A:C R CP r e s s,2011:25-52.[5] S A C H SE,C I MA M,W I L L I AM S P,e ta l.T h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g:r a p i d t o o l i n g a n d p r o t o t y p e s d i r e c t l y f r o maC A D m o d e l [J].J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g f o r I n d u s t r y,1992,114(4):481-488.[6] B O E I R A A P,F E R R E I R AIL,G A R C I A A.A l l o y c o m p o s i t i o na n dm e t a l/m o l dh e a t t r a n s f e r e f f i c i e n c y a f f e c t i n g i n v e r s e s e g r e g a-t i o na n d p o r o s i t y o f a s-c a s tA l-C u a l l o y s[J].M a t e r i a l s&D e s i g n, 2009,30(6):2090-2098.[7] B R A N D LE,H E C K E N B E R G E RU,H O L Z I N G E RV,e t a l.A d d i-t i v em a n u f a c t u r e dA l S i10M g s a m p l e s u s i n g s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g (S L M):m i c r o s t r u c t u r e,h i g hc y c l e f a t i g u e,a n df r a c t u r eb e h a v i o r [J].M a t e r i a l s&D e s i g n,2012,34:159-169.[8] D E B R O Y T,W E IH,Z U B A C KJ,e ta l.A d d i t i v em a n u f a c t u r i n go fm e t a l l i c c o m p o n e n t s-p r o c e s s,s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s[J].P r o-g r e s s i n M a t e r i a l s S c i e n c e,2018,92:112-224.[9] A B O U L K H A I R N T,S I M O N E L L I M,P A R R Y L,e ta l.3Dp r i n t i n g o f a l u m i n i u ma l l o y s:a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g o f a l u m i n i u ma l l o y s u s i n g s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g[J].P r o g r e s s i n M a t e r i a l sS c i-e n c e,2019,106:100578.[10] G U D,S H IX,P O P R AW E R,e ta l.M a t e r i a l-s t r u c t u r e-p e r-f o r m a n c e i n t eg r a t e d l a s e r-m e t a l a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g[J].S c i-e n c e,2021,372(6545):932.[11] Z H O U L,HU Y N H T,P A R KS,e t a l.L a s e r p o w d e rb e d f u s i o no fA l-10w t%C e a l l o y s:m i c r o s t r u c t u r e a n d t e n s i l e p r o p e r t y[J].J o u r n a l o fM a t e r i a l sS c i e n c e,2020,55(29):14611-14625.[12] K A U F MA N N N,I M R A N M,W I S C H E R O P PT M,e t a l.I n f l u-e n c eof p r o c e s s p a r a m e t e r s o n t h e q u a l i t y o f a l u m i n i u ma l l o y E NAW7075u s i n g s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g(S L M)[J].P h y s i c sP r o-c ed i a,2016,83:918-926.[13] Z H A N G H,Z HU H,Q IT,e t a l.S e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g o f h i g hs t r e n g t h A l-C u-M g a l l o y s:p r o c e s s i n g,m i c r o s t r u c t u r ea n d m e-c h a n i c a l p r o p e r t i e s[J].M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g:A,2016,656:47-54.[14] H O O P E RPA.M e l t p o o l t e m p e r a t u r e a n d c o o l i n g r a t e s i n l a s e r63Copyright©博看网. 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浙江工贸职业技术学院材料工程系毕业论文（设计）课题名称：工艺参数对铝合金表面激光强化层组织与性能的影响专业：机电一体化（表面工程）班级：机电1204姓名：董益凯指导教师：徐临超完成时间2014 年11月15日目录第一章前言 (1)1.1 激光强化工艺研究的相关概念 (1)1.2 国内外激光强化工艺研究的现状 (1)1.3 激光强化技术发展趋势 (2)1.4 激光强化的应用和前景 (3)1.5 电镀强化与其他强化的比较 (4)1.5.1 强化后的产品耐蚀性强 (4)1.5.2 结合力强 (5)1.5.3 简化工序提高效率 (5)1.5.4 环保性 (5)1.6 激光强化研究的意义及必要性 (5)第二章实验设备及方法 (5)2.1 仪器设备 (5)2.2 实验内容与方法 (6)第三章实验结果及分析 (7)3.1 激光焦深对激光强化层硬度的影响 (7)3.2 激光电流对激光强化层硬度的影响 (7)3.3 激光脉宽对激光强化层硬度的影响 (8)3.4 激光频率对激光强化层硬度的影响 (8)3.5 激光速度对激光强化层硬度的影响 (9)四、结论 (10)致谢 (11)参考文献 (12)镀镍层激光强化工艺的研究董益凯浙江工贸职业技术学院材料工程系班级：机电1204摘要：激光强化技术可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等。

本论文是针对铝合金激光强化展开研究，通过对改变焦深，电流、脉宽、频率，进给得到的强化层，进行维氏硬度测试，得到最佳工艺参数是焦深103.3mm，电流160A，脉宽2.5ms，频率120Hz，工作台移动速度为标准速度的50mm /min。

关键词：激光强化；铝合金；维氏硬度第一章前言1.1 激光强化工艺研究的相关概念激光强化是指以不同的添料方式在被强化基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。

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 In the article we rev iew the Physics and Applications of Laser shock processing and pay more attention to the analytical modeling of the process.Throug h the ex amples we discuss the importance of the con-fining medium.Some difficulties in Laser shock processing are explored.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。

铝合金的材料力学性能研究铝合金是一种重要的金属材料，因其的高强度和轻量化而广泛应用于航空、汽车、船舶等各行各业。

在这些应用中，铝合金最常被用作结构材料。

在使用这些材料时，了解其力学性能至关重要，这样能够确保结构的强度和可靠性。

铝合金的力学性能取决于其材料特性和加工工艺。

铝合金的力学性能主要包括弹性模量、屈服强度、断裂强度等。

弹性模量是材料在弹性阶段内的刚度，也是单位应力下的应变。

屈服强度是材料在弹性阶段结束后开始塑性变形的应力值。

断裂强度是材料的断裂应力值。

这些性能参数通常在材料测试过程中获得。

铝合金的力学性能的研究可以通过理论计算和实验测试。

理论计算利用材料科学的基本理论，对材料进行分析和模拟，以预测其力学性能。

这种方法包括密度泛函理论、分子动力学等。

实验测试则是对材料真实性能的直接测量。

这种方法包括拉伸试验、压缩试验、扭转试验等。

铝合金的力学性能与材料结构密切相关。

铝合金由铝和其他材料（如锌、铜、镁等）合成。

不同元素的掺杂可以影响合金的结晶微观结构，从而影响其力学性能。

例如，添加锌和镁可以提高铝合金的强度，但会降低其塑性。

因此，在设计铝合金时，需要根据特定应用场景选择合适的材料和合金配方，以得到所需的力学性能。

铝合金的力学性能研究可以促进其在各个行业的应用。

在航空工业中，铝合金被用于制造飞机的机翼和结构部件。

在汽车工业中，铝合金被用于制造车身和发动机零部件。

铝合金的轻量化和高强度特性不仅能减轻重量，还可以提高燃油效率，减少环境污染。

总之，铝合金是一种重要的结构材料，其力学性能研究对其应用至关重要。

通过理论计算和实验测试，可以了解铝合金的弹性模量、屈服强度、断裂强度等重要参数，从而为材料设计和应用提供依据。

在未来，随着科技的不断进步，铝合金的力学性能研究将不断深入，为推动科技的发展做出贡献。

一、实验目的1. 了解激光冲击加工的基本原理和工艺流程。

2. 通过实验，探究不同材料在激光冲击作用下的力学性能变化。

3. 分析激光冲击对材料微观结构和性能的影响。

二、实验材料实验选取了以下三种材料进行激光冲击实验：1. 低碳钢（Q235）2. 铝合金（6061）3. 不锈钢（304）三、实验设备1. 激光冲击设备：激光冲击设备主要由激光器、光学系统、冲击装置和控制系统组成。

2. 显微镜：用于观察材料微观结构。

3. 万能试验机：用于测定材料的力学性能。

四、实验方法1. 实验前，将三种材料分别切割成相同尺寸的试样。

2. 利用激光冲击设备对试样进行冲击加工，冲击能量分别为0.5J、1.0J、1.5J。

3. 冲击后，将试样进行力学性能测试和微观结构观察。

五、实验结果与分析1. 力学性能测试实验结果表明，三种材料在激光冲击作用下，其屈服强度和抗拉强度均有所提高，且随着冲击能量的增加，提高幅度逐渐增大。

具体数据如下：（1）低碳钢：- 冲击能量为0.5J时，屈服强度提高约5%，抗拉强度提高约7%；- 冲击能量为1.0J时，屈服强度提高约10%，抗拉强度提高约15%；- 冲击能量为1.5J时，屈服强度提高约15%，抗拉强度提高约20%。

（2）铝合金：- 冲击能量为0.5J时，屈服强度提高约3%，抗拉强度提高约5%；- 冲击能量为1.0J时，屈服强度提高约6%，抗拉强度提高约10%；- 冲击能量为1.5J时，屈服强度提高约9%，抗拉强度提高约15%。

（3）不锈钢：- 冲击能量为0.5J时，屈服强度提高约4%，抗拉强度提高约6%；- 冲击能量为1.0J时，屈服强度提高约8%，抗拉强度提高约12%；- 冲击能量为1.5J时，屈服强度提高约12%，抗拉强度提高约18%。

2. 微观结构观察利用显微镜观察三种材料在激光冲击作用下的微观结构，发现冲击处理后，材料表面出现明显的塑性变形和残余压应力。

同时，冲击处理后，材料内部的微观结构也发生了变化，如晶粒细化、位错密度增加等。

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。

Fe-Ni恒弹合金激光冲击力学性能异化现象研究裴旭;吴建华;蒋素琴;许兆美【摘要】In order to study the rebound phenomenon of mechanical properties in the spot center of metallic material induced by laser shock processing, Ni42CrTiAl, a Fe-Ni elastic alloy material, was processed by high-energy neodymium glass pulse laser. Then the distribution of the residual stress on the elastic alloy surface was tested with an X-ray strain gauge. The results showed that there was a high distribution of residual cotnpressive stress in the shocked region and there was a rebound phenomenon of mechanical properties in the spot center region where the residual stress values slightly less than its surrounding area. And then for the purpose of further studying the distribution of the residual stress induced by laser shock processing, the finite elementsimulation software was introduced to simulate the shocking experiment. The simulation results showed that there was also a high distribution of residual compressive stress in the shocked region and a rebound phenomenon of mechanical properties in the spot center region. The simulation results are in good agreement with the measurement Finally the formation mechanism of rebound phenomenon of the material mechanical properties in the center region was explored from the angle of the movement, the reflection and the reverse effect of the shock wave. This study result is benefit to optimize the process of the laser shock processing and laser parameter selection.%为了研究激光冲击金属材料后,光斑中心区域材料力学性能异化现象,采用钕玻璃脉冲激光器产生的高能脉冲激光冲击强化型Fe-Ni恒弹合金(Ni42CrTiAl)材料.冲击后采用X射线应力仪对恒弹合金试样冲击区域表面进行了X射线衍射分析,测试了冲击区域残余应力分布情况.结果表明,在试样冲击区域产生了很高的残余压应力,且在光斑中心区域,残余应力值要略小于中心周围区域,出现了力学性能反弹现象.采用有限元模拟软件对冲击试验进行有限元模拟,进一步研究冲击诱导的残余应力分布情况；得到冲击区域有很高的残余压应力分布,且光斑中心区域的残余应力值小于其周围区域,模拟结果与测量结果一致.从冲击波运动、反射与逆向作用角度,探索了冲击区域中心出现的材料力学性能反弹现象的形成机理.这一结果对优化激光冲击强化过程和激光参量的选择是有帮助的.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2012(036)003【总页数】5页(P349-352,356)【关键词】激光技术;激光冲击强化;力学性能反弹;残余应力;有限元模拟【作者】裴旭;吴建华;蒋素琴;许兆美【作者单位】淮阴工学院数字化制造技术实验室,淮安223003;淮阴工学院数字化制造技术实验室,淮安223003;淮阴工学院数字化制造技术实验室,淮安223003;淮阴工学院机械工程学院,淮安223003【正文语种】中文【中图分类】TG156.99引言激光冲击强化是利用高能脉冲激光与材料相互作用，诱导高幅冲击波的力效应使材料产生塑性变形的新型加工技术。