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編輯推薦： 《激光冲击波强化技术及微观塑性变形机制=Strengthening Technology and Pkstie Deformation Micromechanism of Laser Shock Wave》可供航空航天和汽车及机械行业的技术人员、研究人员参考，也可作为材料加工工程学科研究生和高年级本科生等的学习用书。 內容簡介： 《激光冲击波强化技术及微观塑性变形机制=Strengthening Technology and Pkstie Deformation Micromechanism of Laser Shock Wave》阐述了激光冲击波强化理论、技术和应用发展现状以及未来发展趋势，总结了江苏大学在激光冲击波强化理论、工艺和设备各方面的最新研究成果及实际应用经验，以航空关键零部件材料LY2铝合金、AISI304奥氏体不锈钢和AISI8620低碳钢为研究对象，从激光冲击波强化诱导金属材料的表面完整性、摩擦磨损性能、拉伸疲劳性能、微观组织演变、晶粒细化机制等方面系统阐述了现代激光冲击波强化技术的重要进展和典型应用，通过深人总结和提炼科研成果，形成一本学术性强、实用性强的专著。研究成果面向国防、航空航天和汽车等行业关键零部件表面强化延寿需求，为各行业技术人员和研究人员提供了翔实的参考资料。 目錄： 前言 第1章绪论1 1.1引言1 1.2激光冲击波强化装备的研究概况3 1.3激光冲击波强化技术研究现状和应用6 1.3.1激光冲击波强化理论研究6 1.3.2激光冲击波强化关键工艺和宏观性能8 1.3.3金属材料激光冲击波强化的微观机理11 1.4典型激光冲击波强化的工业应用13 1.5激光冲击波强化结构金属的研究意义17 参考文献18 第2章激光冲击铝合金的表面完整性22 2.1试验材料及方法22 2.2试验和测量设备23 2.2.1激光冲击波强化系统23 2.2.2纳米压痕测试系统29 2.2.3残余应力测试设备及方法32 2.2.4表面轮廓和粗糙度测试33 2.3激光冲击波强化铝合金表面完整性研究34 2.3.1单次冲击铝合金不同区域的纳米硬度和弹性模量34 2.3.2单次冲击铝合金表面轮廓和粗糙度37 2.3.3多次冲击铝合金叶片残余应力和微观硬度变化39 2.4椭圆光斑激光冲击铝合金的残余应力分布）4 2.5本章结论51 参考文献52 第3章激光冲击铝合金的拉伸性能和疲劳性能54 3.1试验方法和测量设备54 3.2不同应变速率下激光冲击铝合金的拉伸性能56 3.2.1应变速率对激光冲击前后铝合金应力-应变曲线的影响56 3.2.2应变速率对激光冲击后铝合金断口形貌的影响59 3.3不同冲击方式下铝合金的疲劳性能61 3.4本章结论64 参考文献64 第4章激光冲击铝合金微观组织演化及晶粒细化机制67 4.1试验材料和方法67 4.2试验设备和测试方法68 4.3单次激光冲击铝合金微观组织变化69 4.3.1深度方向的腐蚀性能和成分变化69 4.3.2深度方向的微观组织结构71 4.3.3单次激光冲击铝合金的强化机制72 4.4多次激光冲击铝合金微观组织变化74 4.4.1多次冲击下塑性变形层不同区域深度及晶粒形貌74 4.4.2多次冲击下塑性变形层不同区域的微观结构77 4.4.3多次激光冲击铝合金的增强机制79 4.4.4激光冲击波力学效应晶粒细化中的动态再结晶过程83 4.5激光冲击铝合金空位簇结构缺陷及形成机制84 4.5.1激光冲击铝合金空位簇缺陷86 4.5.2激光冲击铝合金空位簇缺陷的形成机制87 4.6本章结论89 参考文献89 第5章激光冲击铝合金塑性变形的理论模型及计算94 5.1数学模型的建立95 5.1.1条件假设95 5.1.2板料表面凹坑深度97 5.2激光冲击波强化铝合金塑性变形的理论计算104 5.3本章结论109 参考文献109 第6章激光冲击奥氏体不锈钢的表面完整性111 6.1试验设备112 6.2试验材料和方法113 6.3不同载荷下激光冲击奥氏体不锈钢的纳米硬度和弹性模量变化113 6.4激光冲击奥氏体不锈钢残余应力变化116 6.5激光冲击奥氏体不锈钢表面形貌研究117 6.5.1表面波纹度的变化119 6.5.2表面粗糙度的变化120 6.5.3加工纹理和方向122 6.5.4表面结构的复合特征123 6.5.5复合结构特征的形成机理124 6.6激光冲击对奥氏体不锈钢摩擦磨损性能的影响125 6.7本章结论129 参考文献129 第7章不同应变速率下激光冲击不锈钢的拉伸性能和断口形貌131 7.1试验设备、材料和方法132 7.2激光冲击奥氏体不锈钢试验134 7.3激光冲击波强化后试样的拉伸试验134 7.4激光冲击次数对试样抗拉强度的影响134 7.5应变速率对激光冲击试样抗拉强度和流动应力的影响136 7.6应变速率和激光冲击次数对试样断口形貌的影响139 7.7本章结论143 参考文献144 第8章激光冲击奥氏体不锈钢微观组织演化及晶粒细化机制146 8.1试验设备146 8.2试验材料和测试方法147 8.3单次激光冲击奥氏体不锈钢微观组织变化147 8.3.1深度方向的金相组织变化147 8.3.2冲击区域的典型微观组织结构变化147 8.4多次激光冲击奥氏体不锈钢深度方向微观组织演变149 8.5激光冲击次数对奥氏体不锈钢表面微观形貌的影响152 8.6激光冲击奥氏体不锈钢空位簇结构156 8.7本章结论157 参考文献158 第9章激光冲击奥氏体不锈钢的抗应力腐蚀性能160 9.1试验材料和激光冲击参数161 9.2应力腐蚀加速试验162 9.3应力腐蚀开裂时间比较及对应的裂纹形貌164 9.4三种U形试样外表面应力分布状态165 9.5激光冲击提高奥氏体不锈钢抗腐蚀行为的作用机理167 9.6本章结论171 参考文献172 第10章激光冲击不锈钢焊接件和微织构的力学性能173 10.1激光冲击不锈钢焊接件后力学性能和断口分析173 10.1.1试样材料和试验方法174 10.1.2激光冲击对激光焊接处力学性能的影响175 10.1.3激光冲击对激光焊接处断口形貌的影响178 10.1.4多次激光冲击焊接件的韧窝形成机制179 10.2激光冲击不锈钢微织构制备高性能非光滑表面181 10.2.1试样材料和试验方法182 10.2.2激光冲击波强化对激光微织构表面的力学性能的影响183 10.3本章结论186 参考文献186 第11章激光冲击低碳钢的表面力学性能189 11.1试验设备、材料和方法189 11.2激光冲击对低碳钢表面和深度残余应力的影响192 11.3激光冲击对低碳钢表层微观硬度的影响194 11.4激光冲击对低碳钢表面粗糖度的影响194 11.5本章结论197 参考文献198 第12章激光冲击低碳钢的微观强化机理199 12.1试样制备和试验方法200 12.2微观结构演变及晶粒细化机制200 12.2.1多次激光冲击低碳钢微观组织结构演变200 12.2.2多次激光冲击低碳钢深度方向微观组织的演变202 12.2.3多次激光冲击低碳钢的强化机理205 12.3激光冲击低碳钢的摩擦学性能207 12.3.1试验材料和试验方法207 12.3.2不同激光能量对低碳钢摩擦学性能影响207 12.3.3不同激光冲击次数对低碳钢摩擦学性能的影响210 12.3.4激光冲击低碳钢的磨损机理分析212 12.4本章结论218 参考文献218 內容試閱： 第1章绪论 1.1引言 实现长寿命航空关键件抗疲劳制造是我国的战略举措和紧迫需求，是使我国从机械制造大国迈向机械制造强国的必由之路。航空发动机零部件再制造是高投入、高附加值、高层次政策下的高技术产业，是一项军民通用技术。其巨大的经济利益吸引了许多国家和地区纷纷涉足此领域。从整体来看，中国航空维修业与国际上先进的航空维修企业相比有一定的差距’大量高级别的航空器部件维修只能送往国外。我国喷气发动机部件尤其是叶片再制造，无论在军用还是民用飞机上都是亟待解决的关键问题。 因此合金和金属的表面完整性以及微观结构状态直接影响其使用寿命。晶粒细化是唯一能够同时提高金属强度和韧性的方法[1]。目前，严重塑性变形导致的晶粒细化得到越来越多科技人员的关注，主要通过超声喷丸ultra-sonicshotpeening， USP、机械球磨法（mechanicalmilling， MM、压力扭转（torsionstraining， TS、等通道角挤压（equal-channel anglepressing，ECAP、表面机械研磨（surfacemechanical attritiontreatment， SMAT和激光冲击波强化（lasershockprocessinglasershockpeening，LSP等方法来实现。在这些方法中，激光冲击波强化又叫激光喷丸是一种全新的晶粒细化技术，它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、耐磨损和抗腐蚀能力。当短脉冲几十纳秒内）的高峰值功率密度的激光辐射金属表面时，金属表面吸收层涂覆层）吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高压等离子体，该等离子体受到约束层的约束爆炸时产生高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播。在材料表层形成密集、稳定位错结构的同时，使材料表层产生应变硬化，残留高幅压应力，显著提高材料的抗疲劳和抗应力。 激光冲击波强化的原理图如图1.1所示，为了提高对激光能量的吸收并保护金属材料表面不受激光的热损伤，一般在工件表面冲击区域涂覆能量吸收层如黑漆、金属箔等），然后覆盖透明约束层如玻璃和水等）。当强激光束穿过约束层冲击金属祀材表面的能量吸收层时，能量吸收层充分吸收激光能量，在极短的时间内汽化电离形成高温、高压等离子体层，该等离子体层迅速向外喷射，由于约束层的存在，等离子体的膨胀受到约束限制，导致等离子体压力迅速升高，强加给工件靶面一个冲击载荷，在极短时间内（60?100ns产生向金属内部传播的强冲击波。这种冲击波压力高达数吉帕（1X109 Pa，远远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生屈I艮和塑性变形，在塑性变形区域产生残余压应力，改善了工件的疲劳、磨损、耐腐蚀等性能。在此过程中，能量吸收层主要用来吸收激光能量防止工件表面被高能激光损伤，工件表面仅仅受到等离子体爆炸产生的冲击力，因此激光冲击波强化可以归为冷加工工艺[2]，约束层则大大提高了激光冲击波的压力和作用时间，这可以提高激光冲击波强化效果，增加强化层的深度并提高残余压应力。 激光冲击波强化技术与其他表面强化技术相比，具有如下几个鲜明特点。①高压:冲击波的峰值压力达到数吉帕，乃至太帕1X1012 Pa量级，这是常规的机械加工难以达到的。例如，机械冲压最大压力通常在几十兆帕（1X106 Pa至几百兆帕之间。在激光冲击波高压作用下，试样或工件表面形成高幅值残余压应力，残余压应力层深是机械喷丸的5?10倍以上，这极大地提高了抗疲劳性能。②高能：激光束单脉冲能量达到几十焦耳，峰值功率达到吉瓦（1X109 W量级，在极短时间15?30ns内将光能转换成机械能，实现了能量的高效转换和利用。由于激光器的重复频率低，仅几赫兹，而整个激光冲击系统的负荷大约30kW，所以激光冲击波强化是低能耗的加工方式。③超快）中击波作用时间是脉宽的3?4倍，持续仅几十到一百纳秒，可控性强。④超高应变率：由于冲击波作用时间短，应变率达到107s，这比机械冲压高出10000倍，比爆炸成形高出100倍，这是极端条件下的极端制造方法之一[2，3]。 除了上述的明显特点，激光冲击波强化技术还具有以下优点:①与机械喷丸相比，能够维持或降低金属工件的表面粗糙度;②是激光诱导强冲击波力学作用的结果;③激光束易于控制和调整、柔性程度高，能够加工机械零件的圆角、耳状物等常规方法不能够加工的局部细小部位。 激光冲击波由于具备上述鲜明特，存和常规加工方法无可比拟的优，存，所以具有显著的技术优势，在关键装备零部件的强化制造方面发挥重要作用，在某些场合具有不可替代性。同时围绕“超快、超强”激光产生的极端条件下的“极端制造科学”，也被“国家中长期科学和技术发展规划纲要”列入先进制造技术中三个重，存领域之一。在制造科学、新材料、高能武器等高技术领域有广阔的应用前景，是国际科技竞争热点之一。采用激光冲击力学效应提高结构金属材料的宏观力学性能以及微观强化机理一直受到科研和工程人员的重视和关注。 1.2激光冲击波强化装备的研究概况 早在20世纪60年代，美国Battelle研究所的Claner就发现用脉冲激光作用在材料表面可以在固体中产生强冲击波，但由于激光冲击波强化需要每平方厘米高达吉瓦级的光强，激光设备严重限制了激光冲击波强化技术的应用和发展。进入21世纪，随着激光器件的发展，激光冲击波强化走向应用领域[4]。1996年美国劳伦斯?利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory成功研制第一台激光冲击波强化装备（图1.2，激光冲击波强化技术才正式作为新颖强化手段在航空航天领域逐步替代机械喷丸[5]。 ⑻第一台激光冲击波强化装备 （b激光冲击在金属表面诱导的表（C激光冲击波强化后的涡轮发动机面微凹坑阵列和高幅残余应力 图1.2美国利弗莫尔国家实验室激光冲击波强化设备及典型实例 2002年，美国金属改性公司（MIC委托ManTech公司成功开发了用于F119整体叶盘激光冲击波强化的机器人技术的激光处理单元（图1.3a和高效的激光处理装备图1.3b，大大提高了激光冲击波强化的效率[6]。通用电气航空发动机General Electric Aircraft Engines，GEAE公司一直致力于激光冲击波强化技术和冲击装备的研究，并且在提高生产效率以及降低成本的前提下，研制出低能量高重复频率商业激光器系统（10J@30ns@10Hz的激光冲击波强化装备 Gen IV[7]图1.4a，Gen IV可以实现钛合金叶片的强化加工，被应用于处理 F101-GE-102发动机的第一级风扇叶片。图1.4b为Dublin的LSP公司研制的用于处理祸轮发动机叶片的带有Rapid Coater System的激光冲击设备[]。 a激光冲击波处理单元 b激光冲击波强化F119整体叶盘 图1.3美国金属改性公司激光冲击波装备[] ⑻GEAE公司第四代LSP设备GenIV[7] b LSP公司研制的激光冲击设备[8] 图1.4美国典型的激光冲击波装备 2005年，美国金属改性公司报道[]:激光喷丸laserpeening技术的时代已经来临。该公司于2003年2月被联邦航空管理局FAA批准为指定的激光喷丸技术维修服务站、同年11月被联合航空管理局JAA批准为指定的激光喷丸技术维修服务站。2004年8月颁布激光冲击波强化技术规范AMS2546，随之应用到波音777民用飞机的叶片处理。2005年又逐步推广到大型汽轮机、水轮机的叶片处理，以及汽车关键零部件的减量化和延寿。 国内激光冲击波强化设备的研究和引进t匕较滞后，主要集中在江苏大学、北京航空制造研究所、空军工程大学三家单位。20世纪90年代末北京航空制造工程研究所从俄罗斯引进了可进行单次冲击试验的激光器设备（图1.5，对铝合金7050铆接试件的铆钉孔进行激光冲击波强化试验，能稳定提高铆接结构疲劳寿命80%以上關。 图1.5北京航空制造研究所引进的激光冲击波强化设备 1997年开始江苏理工大学激光加工与检测科研团队从激光冲击波强化成形机理、涂层约束层应用、强化工艺试验以及激光冲击波强化集成装备等方面进行了研究[11?17]，并与中国科技大学合作研制了国内具有自主知识产权的重复频率钦玻璃激光器，如图1.6所[。在激光冲击成形、激光冲击波强化和激光冲击超高应变率再制造等方面取得了系列化的成果，部分成果在国际上处于前列[18]。 图1.6江苏大学等研制的激光冲击波强化成形集成系统 针对重大的工程应用需求，2010年空军工程大学与西安天瑞达光电技术有限公司、江苏大学、西安蓝鹰电器设备公司和镭宝光电公司等多家单位合作，对激光冲击波强化的关键技术和成套设备以及在航空发动机上的应用工艺进行了大量研究，现已研制出适合强化高温合金、钛合金等高强度材料用的HGN!、HGN-2型高能脉冲激光器，以及脉冲能量为25 J，重复频率达到1Hz的YAG激光器及其强化生产成套设备，可单路和分光后双路使用，如图1.？所示。并在西安蓝鹰电器设备公司建立激光冲击波强化示范生产线，为该技术在航空工业上的应用奠定了基础。 2010年江苏大学引进法国Thales公司的GAIA纳秒激光冲击波强化设备，如图1.7所示，钦玻璃Nd: YAG介质，重复频率为1?5 Hz，激光脉宽小于15ns，能量大于12 J，波长为1064nm，光斑直径为3?10mm，平顶tophat光强分布，聚焦后可以实现单脉冲单点冲击试验与研究，为我国激光冲击波强化应用提供了良好的装备保证。 图1.7 Thales公司的GAIA纳秒激光冲击波强化设备 1.3激光冲击波强化技术研究现状和应用 国内外主要从强化理论和机理、关键工艺、典型材料的强化性能等方面对激光冲击波强技术行 。 1.3.1激光冲击波强化理论研究 法国科学家Fabbrn等[19_以激光冲击波一维传播的假设为前提，建立了约束模式下激光束、约束层和靶材之间的相互作用模型，提出了冲击波峰值压力大小的估算式，定量说明了约束模式下，激光诱导的冲击波峰压与功率密度、靶和约束层的折合阻抗之间的相互关系。Ballard和Dubouchet推导出激光冲击弹塑性材料的塑性变形深度公式和表面残余应力数值计算公式[21]。

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