摘要
本文综述了近年来温激光冲击强化技术及相关激光加工技术的研究进展。详细讨论了WLSP的工艺设计、增强的机械性能和组织演变。通过建立加工-组织-性能关系，回顾了基本的加工机理。重点讨论了纳米级析出过程的析出动力学，研究了工艺参数对纳米级析出物形核的影响，并总结了多尺度离散位错动力学(MDDD)模拟结果，研究了位错的增殖和传播行为以及位错钉扎效应。此外，综述了热工程激光冲击强化技术(TE-LSP)的研究进展，重点介绍了热工程激光冲击强化技术的析出相粗化、疲劳寿命延长以及基本的工艺机理。
1.介绍
激光冲击喷丸(Lasershockpeening,LSP)是一种有效的激光表面处理技术，用于对金属材料进行表面处理，以提高金属材料的表面强度，改善耐磨性和耐腐蚀性，延长疲劳寿命。这些优异的机械性能主要归功于激光诱导的表面残余压应力和加工硬化层。与其他用于提高疲劳性能的塑性变形工艺，如喷丸强化(SP)和超声波冲击强化(UIP)相比，LSP具有以下优点:(1)压缩或拉伸超载;(2)加工复杂几何形状零件的能力;(3)精确控制脉冲激光能量的能力;(4)由于烧蚀涂层的存在，目标表面基本没有损伤。因此，LSP在工业上得到了广泛的应用。
尽管有这些优点，但LSP的效率主要受到一个主要挑战的限制:在机械加载或热加热过程中，残余压应力和加工硬化层容易出现松弛。即使在发动机温度适中的情况下，也可在不到10分钟的时间内减轻一半的初始压应力。三种机制是残余应力松弛的主要原因:(1)压缩或拉伸超载;(2)循环加载接近或高于极限疲劳;(3)暴露于热循环中。从物理冶金学的角度来看，应力弛豫是通过位错的传播和增殖与组织重排相关联的。因此，为了提高激光强化的工艺效率和效果，开发新型的激光强化工艺来提高残余压应力的稳定性显得尤为重要。
喷丸前和喷丸后裂纹形状的比较。
上图给出了喷丸前后贯穿管壁的主应力腐蚀裂纹形状示意图。喷丸前拉管的裂纹形状为半椭圆形，裂纹长度在管壁内表面最大，在管壁内减小。这种形状类似于在没有kiss辊的情况下，在液压膨胀管上观察到的(Stubbe,,KAERI,)。对于喷丸后产生的裂纹，管壁内表面裂纹长度比管壁内裂纹长度短0.1-0.7mm左右。裂纹的最大长度约为管壁厚的四分之一。在比利时工厂的喷丸管上也观察到了这种凸起的形状(Stubbe,)。喷丸处理对裂纹的取向没有影响;所有裂纹均为轴向或略向管轴倾斜。
WLSP是一种集LSP、动态应变时效(DSA)和动态沉淀(DP)优点于一体的热机械表面处理技术，具有独特的、高稳定性的显微组织。DSA作为一种强化机制，通过移动位错与扩散溶质原子的相互作用促进位错的增殖。这导致更均匀和高密度的位错结构。DP又称应变诱导析出，是变形过程中导致析出相形核的一种热-机械析出效应。在WLSP中，DP的成核过程是由DSA中高密度位错的存在辅助的。dp诱导的纳米析出相可以通过位错与析出相之间的弹性相互作用抑制附近位错的运动，即位错钉扎效应。这种钉扎效应是提高残余应力和微观组织稳定性的主要因素。从而进一步提高了金属材料的力学性能。
在WLSP过程中，dp诱导的纳米颗粒粒径一般为5~10nm。这是由与激光脉冲持续时间相关的短DP时间(在纳秒量级)决定的。位错钉扎强度受析出相尺寸、数密度、粒子间距和体积分数等参数的影响。为了优化位错钉扎强度，热工程激光冲击强化技术(TE-LSP)得到了进一步的发展，通过将析出相动力学从形核阶段扩展到粗化阶段，来调整析出相参数，进一步提高金属材料的疲劳性能。
本文从工艺设计、机械性能的提高和显微组织的演变等方面对激光激光强化技术进行了综述。更重要的是，通过建立工艺、组织和性能之间的关系，探讨了工艺机理。本文的研究成果可为激光加工和/或热机械加工技术的设计提供重要的见解和指导。
2.温激光冲击喷丸
2．1．流程设计
图1为WLSP实验设置示意图。在WLSP过程中，将目标材料加热到一定的加工温度。可以采用多种加热方法来提供热能。在目标样品的上表面放置一层烧蚀涂层材料，以吸收激光能量，并保护样品表面不受任何不必要的损伤。当聚焦脉冲激光能量到达样品表面时，烧蚀涂层被汽化和电离，形成激光诱导的等离子体。激光诱导等离子体的水动力膨胀受到置于烧蚀涂层之上的透明约束介质的限制。从而产生激光诱导的冲击波并传播到目标材料中，产生有益的塑性变形。在实验装置上，可以选用多种材料作为烧蚀涂层，如铝箔、黑胶带、石墨等，而透明的限制介质可选用玻璃、水、硅油等。与传统的激光LSP过程相似，调qNd-YAG纳秒脉冲激光系统是可行的。
图1WLSP实验设置示意图。
在WLSP实验中，激光功率强度和加工温度是工艺优化的两个最关键的工艺参数。激光功率强度越高，残余压应力的大小越大，当激光强度达到一定水平时，残余压应力会达到一个饱和点。WLSP处理温度应足够高，以实现有效的DA效应，但又不能过高，导致热松弛和组织重排。此外，还需要对激光加工参数进行操作，包括激光束尺寸、波长、重叠率等。
2.2提高机械性能
表面强度的增强是WLSP后产生的最重要的有利表面特性之一。研究人员对和铝合金(图2a和b)和碳钢AISI和(图2c和d)和钛合金Ti6Al4V进行了WLSP实验。从图2中可以看出，与LSP试样相比，WLSP试样的表面强度更大。例如，在2GW/cm2的激光强度下，℃(VHN)WLSP处理的AA试样的表面硬度比LSP(VHN)高27.5%;当激光强度为4GW/cm2时，与LSP相比，WLSP使AISI的表面硬度从提高到VHN，提高了9.4%。这种表面硬化现象既归因于通过表面塑性变形产生的应变硬化效应，也归因于通过第二相纳米析出物产生的沉淀硬化效应。由于表面硬度测试相对于其他力学测试方法更容易进行，因此通常采用硬度测试来指导WLSP参数优化。
图2通过WLSP提高表面强度:(a)铝合金(AA)，(b)铝合金(AA)，(c)AISI钢，(d)经批准采用的AISI钢
除表面强度外，残余压应力稳定性的提高是延长疲劳寿命的主要原因。图3显示了AA和AISI在WLSP后压缩残余应力循环稳定性的提高。如图3a所示，经过wlsp处理的试样比经过lsp处理的试样具有更高的残余应力循环稳定性，特别是在高循环区域。例如，LSPAA试样在20万次循环加载后残余应力值下降了38%，而WLSP试样仅下降了23%。
图3通过WLSP(a)AA和(b)AISI提高了残余压应力的循环稳定性。
综上所述，激光诱导残余压应力的大小和深度，以及残余压应力的稳定性对金属材料的疲劳性能的决定起着至关重要的作用。图4为WLSP后的疲劳寿命延长情况。与LSP相比，经过万次加载循环后，WLSP可以进一步提高AA的疲劳强度，从MPa提高到MPa(图4a)。对铝合金而言，高周区疲劳性能的改善比低周区更为显著。对于碳钢，从图4b的应力-寿命(S-N)曲线可以看出，WLSP试样(1MPa)的疲劳极限比LSP试样(MPa)大75MPa。对于Ti6Al4V钛合金，如图4c所示，在-℃时，WLSP试样的疲劳性能要优于室温LSP试样，但当WLSP处理温度达到℃时，出现了明显的疲劳寿命劣化现象。
图4WLSP后的延长疲劳寿命：（a）AA，（b）AISI，和（c）Ti6Al4V钛合金
值得
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