激光冲击强化技术原理及其应用研究

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。

一种飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法和装置专利奖摘要：一、引言二、飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法1.方法概述2.强化原理3.技术优势三、飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化装置1.装置构成2.工作原理3.技术创新四、应用前景五、结论正文：一、引言随着航空工业的发展，提高飞机发动机的性能和可靠性成为关键问题。

飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法和装置，为解决这一问题提供了新的技术途径。

二、飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法1.方法概述飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法，采用高能激光束对叶片榫槽底部平面进行瞬间冲击，从而提高叶片的疲劳强度和抗磨损性能。

2.强化原理激光冲击强化过程中，激光束在材料表面产生高压、高温等极端条件，使材料产生快速熔化、汽化、蒸发等现象，并在表面形成高压激波。

这些现象导致材料表面产生快速冷却和相变，从而形成高硬度、高韧性的表面层。

3.技术优势与传统方法相比，该方法具有无接触、无损伤、无污染等优点，且强化效果显著，可有效延长叶片的使用寿命。

三、飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化装置1.装置构成飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化装置主要包括激光器、光学系统、控制系统等部分。

2.工作原理激光器产生高能激光束，经光学系统聚焦后，控制系统控制激光束对叶片榫槽底部平面进行瞬间冲击。

3.技术创新该装置采用了独特的激光光学系统和控制系统设计，确保了激光束的精确聚焦和稳定输出，提高了强化效果和安全性。

四、应用前景飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法和装置在航空、航天、能源等领域具有广泛的应用前景，有望推动我国航空发动机技术的进步。

激光表面强化技术及其应用随着科技的不断发展，激光技术已经成为现代工业生产中不可或缺的一部分。

激光表面强化技术是近年来发展起来的一种新型表面处理技术，它可以使材料表面的硬度、耐磨性、抗腐蚀性等性能得到显著提高，从而提高材料的使用寿命和可靠性。

本文将从激光表面强化技术的原理、方法和应用方面进行探讨。

一、激光表面强化技术的原理激光表面强化技术是利用激光束高能量密度的特点，将激光束聚焦到材料表面，使其表面受到高温和高压的作用，从而改变其组织结构和化学性质，提高其硬度、耐磨性和抗腐蚀性等性能。

具体来说，激光束在材料表面产生高温和高压，使表面材料发生相变、熔化、蒸发等过程，同时还会激发材料中的原子、分子等产生化学反应，形成新的化合物或化学键，从而改变表面材料的化学性质。

这些变化使得材料表面的硬度、耐磨性和抗腐蚀性等性能得到显著提高。

二、激光表面强化技术的方法激光表面强化技术的方法主要分为以下几种：1. 激光淬火：利用激光束高能量密度的特点，将其聚焦到材料表面，使其表面迅速升温，然后快速冷却，从而使表面形成高硬度的淬火层。

这种方法适用于钢、铁等金属材料。

2. 激光熔覆：将激光束聚焦到材料表面，使其表面熔化，然后喷射一定量的粉末或线材，形成一层新的涂层。

这种方法适用于各种金属材料和陶瓷材料。

3. 激光表面改性：利用激光束高能量密度的特点，将其聚焦到材料表面，使其表面发生物理和化学变化，从而改变其表面性质。

这种方法适用于各种材料。

三、激光表面强化技术的应用激光表面强化技术具有广泛的应用前景，主要包括以下几个方面： 1. 汽车制造：激光表面强化技术可以提高汽车零部件的硬度和耐磨性，从而增加汽车的使用寿命和可靠性。

2. 航空航天制造：激光表面强化技术可以提高飞机发动机叶片、涡轮等零部件的耐磨性和抗腐蚀性，从而提高飞机的性能和可靠性。

3. 电子制造：激光表面强化技术可以提高电子器件的耐磨性和抗腐蚀性，从而提高电子器件的使用寿命和可靠性。

激光冲击强化对金属材料疲劳寿命的影响及应用本文从激光冲击强化材料表面致使金属材料表面形成残余应力、改变金属材料的微观组织结构机理两个角度阐释了激光冲击强化过程中材料的表面抗疲劳性能得以进一步改良的本质原因。

并举例说明了激光冲击强化技术在各范围的应用，指出了探究激光冲击强化时的重点及难点，简单描述了其发展趋势。

标签：激光冲击强化；表面改性；疲劳寿命0 引言金属材料疲劳失效一般发生在材料应力集中程度较大的表面或是含有杂质、缺陷的内部。

对于受扭转、弯曲、剪切及其组合变形的零件而言，疲劳裂纹往往起源于材料表面。

因此，改善金属材料的表面质量、强化其表面性能，增强机械零部件的性能和寿命成为国内外学者研究的重点。

激光表面强化技术具有功率密度高、加工灵活、操作方便无污染等优势，因此，被广泛应用于工业制造领域。

其中，激光冲击强化被普遍地用来提高金属原材料的疲劳寿命。

激光冲击强化是在极为短暂的时间（纳秒级）内将激光束照射在金属材料的表面，迫使材料表面产生等离子体，并利用等离子体膨胀的过程对金属产生强烈的冲击。

这一冲击过程将使材料因产生晶体点缺陷、位错或则孪晶而得以强化[1]，如图1。

1 激光冲击强化形成金属材料表面残余应力层传统的喷丸技术是在被处理的金属表面形成一层较薄的残余压应力，其被证实能够限制疲劳裂纹扩展的速率。

但是，传统技术应变较大，且形成的残余应力层较薄，而激光冲击在非常高的应变率下能以较小的应变形成大于一毫米的残余应变层。

Dane.C.等[2]通过比较Inconel718合金经喷丸技术和激光冲击处理后的残余应力分布图2，得出激光冲击均优于喷丸技术的结论。

激光冲击形成的残余压应力与金属材料、涂层、激光束的尺寸等都息息相关：用不同的材料来作为吸收层所得到的残余应力分布不同，根据Hong，X [3]的研究结果显示黑漆作为吸收材料能更好的吸收激光能束；涂层是用来吸收更多的冲击波使金属产生塑性变形，一般而言涂层的选择是根据介质的光传播速度和密度，研究表明水是最适合的涂层，但是涂层与残余应力场的具体关系仍然没有相关报道。

激光冲击高强钢的应力调控技术和微观结构演变机制，是目前材料加工领域比较前沿的研究方向之一。

这个过程可以通过以下的步骤来完成：
1. 初期强化：利用激光来形成高速冲击，从而在材料表面产生高应力、高应变率荷载，促进材料的初期塑性变形，从而达到强化的效果。

2. 相变结构调控：利用激光冲击的高应力和高能量密度，可以在高强钢表面形成超过极限强度的塑性变形，导致材料组织的局部相改变或晶界移动等现象，从而调控材料的微观组织结构和性能。

3. 残余应力调控：利用激光冲击后形成的残余应力场，对材料的力学性能进行调控和优化。

激光冲击后留下的残余应力通常会增强材料的韧性和塑性，同时降低其脆性。

激光冲击高强钢材料的微观结构演变机制，主要表现为以下几个方面：
1. 残余应力：由于激光冲击材料产生的高应力、高能量密度荷载，会在材料表面形成高度均匀的残余应力场，在一定程
度上提高了材料的抗拉强度和延展性。

2. 相变：激光冲击过程中，由于材料表面的温度和压力变化，热耗散和相变等机制也将发生相应的变化，从而影响材料的微观组织结构和性能。

3. 晶界移动：激光冲击后残余应力会促进晶界移动和钢的微观塑性变形，增强了材料的延展性和韧性，从而提高了高强钢材的全漏限程度、复原能力和疲劳寿命等。

总体来说，激光冲击高强钢应试调控技术及微观结构演变机制的研究，需要借助多学科的交叉融合，整合激光物理学、计算机模拟、材料科学等不同领域的研究成果，以期在军事、航空航天、汽车及船舶等高强度应用场景中具有广泛的应用前景。

激光表面冲击硬化技术
激光表面冲击硬化的工艺原理：将待受冲击的工件表面涂上一层吸收率高且易于气化的涂料，用来保持工件表面不被熔化，然后再在涂料上覆盖一层透射激光的材料以限制气化物的扩散体积。

当高功率脉冲激光照射工件表面时，涂料被气化，气体被限制在透明材料与工件表面之间，在进一步的激光辐照下，由于气体吸热再度膨胀从而对工件表面施加高的压力即造成冲击应力波，使金属内部发生塑性应变，形成高位错密度的亚结构，在工件表面留有较高的残余应力区，这与喷丸强化类似，因而可提高工件的疲劳寿命。

激光表面冲击硬化选用高功率密度的激光器在20~40纳米内将工件材料表面加热使之气化，产生可达1.01帕斯的压力。

使激光冲击波作用区的显微组织呈现类似于爆破加工及快速冲击加工的亚结构材料组织，可以明显地提高材料表面硬度、屈服强度及疲劳寿命，大大改善材料的性能。

激光冲击强化与渗氮工艺
激光冲击强化和渗氮工艺是目前应用广泛的表面处理技术之一。

激光冲击强化是一种通过激光辐照金属表面，产生高能量密度的脉冲，从而使表面产生塑性变形和残余压应力，从而提高材料的硬度、强度和疲劳寿命的方法。

渗氮则是将氮原子渗入金属表面，形成一层氮化物，从而提高材料的硬度和耐磨性。

两种工艺结合使用，可以进一步提高材料的性能。

例如，在机械加工刀具上采用激光冲击强化和渗氮工艺，可以大大提高刀具的使用寿命和耐磨性，从而降低生产成本。

在航空航天领域，激光冲击强化和渗氮工艺也被广泛应用于发动机叶片和涡轮叶片等关键部件的表
面强化处理。

虽然激光冲击强化和渗氮工艺已经得到了广泛的应用，但是仍然存在一些问题需要解决。

例如，激光冲击强化会产生高温和残余应力，可能会影响材料的微观结构和性能；渗氮工艺存在氮化物层的厚度不均匀和质量不稳定等问题。

因此，未来的研究方向应该是进一步提高工艺的稳定性和控制性，以及解决产生的负面影响。

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温辅助激光冲击强化技术原理与应用研究赵吉宾; 陆莹; 乔红超; 孙博宇【期刊名称】《《航空制造技术》》【年(卷),期】2019(062)021【总页数】7页(P34-39,51)【关键词】温辅助激光冲击强化; 残余应力释放; 组织失稳; 抗蠕变性能; 强化相【作者】赵吉宾; 陆莹; 乔红超; 孙博宇【作者单位】中国科学院沈阳自动化研究所沈阳110016; 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169【正文语种】中文激光冲击强化（Laser Shock Peening，LSP）是一种新近发展的表面强化技术，其通过激光诱导产生等离子体冲击波轰击金属表面，在极短时间内，使其表面产生超高应变率的塑性变形，改善材料微观结构，表面生成加工硬化层和残余压应力层，可有效抑制高周疲劳裂纹萌生和扩展，从而达到改善抗疲劳性能的目的[1-7]。

与传统的表面强化手段相比，激光冲击强化具有可控性强、非接触、适用性好等优越性能，不仅可以在表面形成厚度超过1mm 的残余应力层，提高疲劳寿命，还可在其表面引入致密的晶粒细化（甚至纳米晶）形变层，从而有效地提高零件的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性[5-6]，且相比于喷丸强化，激光冲击强化对零件表面粗糙度的影响较小，可确保工件的几何精度和性能要求。

鉴于上述诸多优点，激光冲击强化近20年来得到了快速发展，并已经进入了工业应用阶段[7-8]。

20世纪70年代，美国首先开展了激光冲击强化试验研究，发现其可以有效提高材料硬度、强度和疲劳性能，具有良好的技术发展前景。

1994年，针对航空发动机高周疲劳断裂问题，美国开始实施“高周疲劳科学和技术计划”，美国阿拉巴马大学、利弗莫尔实验室、美国激光冲击强化技术公司（LSPT）开发一体化激光冲击强化设备，实现了针对航空发动机叶片/叶盘、机翼等飞机结构件的激光冲击强化，并在GE、空客、波音、罗罗、普惠等公司实现了工业应用。

由于遭遇国外相关技术的封锁，国内相关研究起步较晚，但经过江苏大学、中国航空制造技术研究院、西安空军工程大学、中国科学院沈阳自动化研究所等国内相关院所的不懈努力，基础研究领域取得了很大的进展[8-10]。

激光冲击强化技术的应用现状与发展吴嘉俊;赵吉宾;乔红超;陆莹;孙博宇;胡太友;张旖诺【摘要】激光冲击强化是一种利用激光诱导等离子体冲击波来提高材料疲劳寿命的新型表面改性技术,具有强化效果显著、可控性强、适应性好等优点,对提高结构可靠性和部件疲劳强度、延长材料使用寿命具有重要作用.近年来,该技术受到了广泛重视,得到了快速发展.本文简要介绍了激光冲击强化技术的基本原理、特点与应用领域;总结了国内外激光冲击强化技术的发展状况与研究成果;并针对国内外激光冲击强化技术的现状,提出了一些现在需要解决的强化工艺问题;最后对激光冲击强化技术的应用前景进行了展望.%Laser shock processing is a new type of surface modification technology that can improve the fatigue life of materials by using laser-induced plasma shock waves. It has the advantages of significant strengthening effect, strong controllability and good adaptability. Laser shock processing plays an important role in improving the struc-tural reliability, the fatigue strength of parts and the service life of materials. In recent years, the technology has re-ceived widespread attention and developed rapidly. This paper briefly introduces the basic principle, characteristics and application fields of laser shock processing, and summarizes the development and research results of laser shock processing. In view of the current situation of laser shock processing at home and abroad, some problems of the technology that need to be solved now are put forward. Finally, the application prospect of laser shock pro-cessing is forecasted.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2018(045)002【总页数】7页(P1-7)【关键词】激光冲击强化;等离子体;冲击波;疲劳寿命;表面改性【作者】吴嘉俊;赵吉宾;乔红超;陆莹;孙博宇;胡太友;张旖诺【作者单位】中国科学院沈阳自动化研究所装备制造技术研究室,辽宁沈阳110016;中国科学院大学工程科学学院,北京 100049;中国科学院沈阳自动化研究所装备制造技术研究室,辽宁沈阳 110016;中国科学院沈阳自动化研究所装备制造技术研究室,辽宁沈阳 110016;中国科学院沈阳自动化研究所装备制造技术研究室,辽宁沈阳 110016;中国科学院沈阳自动化研究所装备制造技术研究室,辽宁沈阳110016;中国科学院沈阳自动化研究所装备制造技术研究室,辽宁沈阳 110016;中国科学院大学工程科学学院,北京 100049;中国科学院沈阳自动化研究所装备制造技术研究室,辽宁沈阳 110016;中国科学院大学工程科学学院,北京 100049【正文语种】中文【中图分类】O439材料的主要失效形式有：磨损、腐蚀、疲劳等，一些调查数据显示[1]：因磨损、腐蚀、疲劳等源于材料表面的失效形式占了80%以上，可见材料表面的结构和性能对材料综合性能有着至关重要的影响。