激光沖擊強化技術(shù)的研究進展

喬紅超，高 宇，趙吉賓，陸 瑩，趙亦翔

(1. 中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，沈陽 110179；2. 中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司，沈陽 110043；3. 中國科學(xué)院 金屬研究所，沈陽 110016)

隨著航空、航天、武器、能源、交通領(lǐng)域高端裝備的發(fā)展，對其零件的使役性能要求越來越高，一方面需研制具有高性能的材料，另一方面需加強現(xiàn)有材料的使役性能[1]。然而傳統(tǒng)的噴丸[2]、滾壓[3]等材料改性技術(shù)因其引入的壓應(yīng)力層深度最大僅能達到75~250 μm，以及成形困難，所以漸漸不再能滿足高性能零件的生產(chǎn)加工需求。而近年來發(fā)展起來的激光沖擊強化技術(shù)不但可產(chǎn)生 1 mm甚至更深的壓應(yīng)力層[3]，同時因激光能量、脈沖寬度、路徑軌跡等工藝參數(shù)可精確調(diào)節(jié)設(shè)定和從而對零件的表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力分布、零件變形量等技術(shù)指標(biāo)可精確調(diào)控[4]。圖 1所示為激光沖擊強化工藝示意圖。由圖 1可知，激光沖擊強化技術(shù)是利用短脈沖高能量激光束輻照粘附在零件表面上的吸收層，吸收層吸收激光能量迅速發(fā)生等離子體氣化，形成的等離子體團進一步快速的吸收更多的激光能量，形成壓強可達幾十GPa的高溫高壓的等離子團，其在約束層的約束下發(fā)生爆炸產(chǎn)生瞬時等離子體沖擊波。向零件內(nèi)部傳播的高速高壓等離子體沖擊波，能夠使工件表層材料發(fā)生高速塑性應(yīng)變，引起晶格畸變、位錯、位錯交織、位錯墻、晶粒細化等微觀織構(gòu)變化[5]，在零件表面產(chǎn)生表面壓應(yīng)力，從而實現(xiàn)對零件的表面強化或精密成形加工[6]。因激光沖擊強化具有上述優(yōu)勢，近年來得到了飛速的發(fā)展，在航空、航天、運載、電力、國防等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷得到拓展，已逐步走向成熟[7]。然而，國內(nèi)外尚無研究對其應(yīng)用領(lǐng)域進行全面系統(tǒng)的歸納總結(jié)(針對某個特定領(lǐng)域已有系統(tǒng)總結(jié))，為加深人們對激光沖擊強化應(yīng)用的全面了解，本文作者簡要概述激光沖擊強化技術(shù)在高周疲勞、腐蝕防護、生物醫(yī)療、精密成形領(lǐng)域的幾項代表性應(yīng)用。

圖1 激光沖擊強化工藝示意圖Fig. 1 Schematic diagram of laser peening process

1 激光沖擊強化在高周疲勞領(lǐng)域的應(yīng)用

在役零件(例如彈簧、傳動軸、承力構(gòu)件等)承受的交變載荷一般遠遠低于其屈服極限[8-9]，然而，據(jù)1982年美國聯(lián)邦調(diào)查局的統(tǒng)計報告[10]，由疲勞斷裂引起的事故約占機械結(jié)構(gòu)失效破壞總數(shù)的95%以上。例如，在燃氣渦輪發(fā)動機中，葉片在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)帶動及強氣流的沖刷下，承受著拉伸、彎曲和振動等多種載荷[11]，特別是位于進氣端的前三級壓氣機葉片由高周疲勞引發(fā)的事故約占發(fā)動機失事總事故的 25%以上[12-13]，且這些失效多始于表面[14]，因而，表面強化技術(shù)成為改善零部件疲勞壽命的必要手段[15]。新興的激光沖擊強化技術(shù)不僅可在零件表層形成殘余壓應(yīng)力，還可細化表層晶粒，從而可以有效地抑制裂紋萌生和擴展[16]。因此，激光沖擊強化技術(shù)必將在未來的高周疲勞領(lǐng)域里持續(xù)發(fā)揮重要的作用。

1.1 激光沖擊強化在高性能零件生產(chǎn)中的應(yīng)用

昂貴的尖端技術(shù)往往最先在經(jīng)費充足的航空、航天、武器等軍工國防領(lǐng)域應(yīng)用，激光沖擊強化技術(shù)也不例外[17]，其設(shè)備目前的市場價格一般為幾百萬元甚至上千萬元人民幣，另因?qū)ζ涔ぷ鳝h(huán)境要求苛刻，運行成本也較高[18]。盡管如此，激光沖擊強化技術(shù)自1972年誕生以來，卻受到了廣泛的青睞[19-20]。20世紀(jì)90年代，美國為此實施了高周疲勞研究國家計劃，利弗莫爾實驗室、通用公司和金屬改進公司等聯(lián)合深入開展了激光沖擊強化技術(shù)的理論、工藝和設(shè)備研究，使激光沖擊強化技術(shù)逐步走向了實用[21]。1997年，激光沖擊強化技術(shù)開始被用于強化 F22、Boeing747和Boeing767發(fā)動機風(fēng)扇葉片[22]。進入21世紀(jì)，美國空軍再次設(shè)置了4個重要的制造技術(shù)計劃，解決了激光沖擊強化效率和移動生產(chǎn)等工業(yè)應(yīng)用問題[23]。2001年，美國激光沖擊強化公司為Rolls-Royce公司強化了800多個發(fā)動機葉片，成為激光沖擊強化技術(shù)在商用飛機發(fā)動機上應(yīng)用的首例。2004年，美國為F22戰(zhàn)斗機整體葉盤生產(chǎn)建設(shè)了專用激光沖擊強化生產(chǎn)線，并發(fā)布了AMS-2546激光沖擊強化標(biāo)準(zhǔn)[24]。到2009年，F(xiàn)22戰(zhàn)斗機上約75%的整體葉盤都要經(jīng)過激光沖擊強化處理[25]。與國外相比，我國的激光沖擊強化技術(shù)應(yīng)用研究起步較晚，興起于上世紀(jì) 90年代[26]，江蘇大學(xué)成為我國當(dāng)之無愧的激光沖擊強化技術(shù)鼻祖之一。直到2008年，連續(xù)脈沖激光沖擊強化設(shè)備在西安空軍工程大學(xué)研制成功，標(biāo)志著我國擁有了使用激光沖擊強化技術(shù)的能力[27]。2011年，中科院沈陽自動化所喬紅超團隊[5,7,28]向沈陽黎明發(fā)動機有限公司交付了我國首臺整體葉盤激光沖擊強化系統(tǒng)(見圖2)，徹底突破了工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的瓶頸，填補了我國無工業(yè)應(yīng)用激光沖擊強化設(shè)備的空白。該系統(tǒng)滿負(fù)荷全天候運行至今，為航空事業(yè)做出了重大貢獻(可提高葉盤壽命 4~6倍以上)，為沈陽黎明發(fā)動機公司創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，并為推動激光沖擊強化技術(shù)在更多型號航空發(fā)動機上推廣應(yīng)用制定了 LMSIA-0131企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[29-30]。

圖2 整體葉盤激光沖擊強化設(shè)備[28]Fig. 2 Blisk laser peening device[28]

目前，激光沖擊強化技術(shù)應(yīng)用獲得了井噴式的發(fā)展，除在航空領(lǐng)域的高性能零件加工中獲得廣泛應(yīng)用外，在電站、交通運輸、照明等行業(yè)也獲得了大量應(yīng)用。日本東芝公司將其用于日立發(fā)電機組的汽輪機葉片生產(chǎn)(見圖3)[31]；美國的金屬改進公司將其用于水面艦船的鋁合金結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)[23]；中科院沈陽自動化所將其用于短弧汞燈電極生產(chǎn)和高速機車軸生產(chǎn)等其他領(lǐng)域[32]。隨著零件整體性能要求越來越苛刻，應(yīng)用領(lǐng)域的迅猛擴張，對激光沖擊強化技術(shù)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。主要包括以下3個問題：1) 如何在高溫或低溫工作環(huán)境下發(fā)揮激光沖擊強化效能。航空發(fā)動機渦輪葉片、電站渦輪葉片和內(nèi)燃機連桿等零件工作在高溫(800 ℃以上)下，而激光沖擊強化形成的殘余壓應(yīng)力隨著溫度的升高或時間的延長會逐漸釋放。例如，IN718鎳基合金在550 ℃ 10 min內(nèi)，殘余應(yīng)力消失約15%；在650 ℃ 5 min內(nèi)，殘余應(yīng)力消失約30%；40 min內(nèi)，殘余應(yīng)力消失約40%，5 h后，消失約70%[33]，即激光沖擊強化的效果在高溫下大打折扣。因而需進一步研究激光沖擊超高應(yīng)變率塑性變形誘發(fā)的微結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的形成機制及其穩(wěn)定原理與技術(shù)，例如研究溫/冷激光沖擊強化技術(shù)，使得激光沖擊強化效果在高溫和低溫下都能最大可能的發(fā)揮；2)在工件上如何實現(xiàn)最優(yōu)的殘余應(yīng)力分布。零件的狹小尺寸突變部位激光沖擊強化后，可能在齒槽內(nèi)形成殘余壓應(yīng)力，而在齒槽邊緣形成殘余拉應(yīng)力或應(yīng)力集中。例如，艦載機尾鉤的強化區(qū)域或激光沖擊工藝參數(shù)選擇不合適，很容易加速尾鉤失效，疲勞壽命遠低于未經(jīng)激光沖擊強化的工件，因而需進一步研究激光沖擊強化調(diào)控技術(shù)，對沖擊強化前、中、后的應(yīng)力分布場演變進行實時掌控，通過調(diào)制應(yīng)力場，最大限度發(fā)揮激光沖擊強化效能并提高激光沖擊強化效率；3)如何降低激光沖擊強化技術(shù)的應(yīng)用成本。目前激光沖擊強化所用的主流激光器為Nd:YAG高能脈沖激光器，輸出的單脈沖能量高達幾十焦耳。達到如此高的輸出能量主要通過逐級能量放大實現(xiàn)。進而要求激光器放大級之間的控制時序達到微秒(甚至更高)量級。另外，激光沖擊強化要求輸出方形或圓形的勻強平頂分布的光斑，要求 YAG晶體棒加工成方形或圓形，且無加工缺陷，進而激光器的價值不菲。也間接決定了整臺激光沖擊強化設(shè)備的價格居高不下。因而，需進一步開發(fā)新型的低成本的可靠的激光沖擊強化激光器。

圖3 激光沖擊強化汽輪機葉片[31]Fig. 3 Laser peening for blades of stream turbine[31]

1.2 激光沖擊強化在高性能零件再制造中的應(yīng)用

隨著零件再制造的需求越來越多，再制造已發(fā)展成為了一種新興的產(chǎn)業(yè)[34]。電弧堆焊、氬弧堆焊、等離子弧堆焊、等離子弧噴涂、電鍍、激光熔敷等再制造技術(shù)步入了快速發(fā)展期[35-37]。這些再制造技術(shù)的共同點是獲取與基體冶金結(jié)合的致密熔覆層，恢復(fù)零件的幾何外形，重獲零件的使用功能。而作為新興的激光沖擊強化再制造技術(shù)與之完全不同，不再是以生長材料為已任，而是抑制影響使用的裂紋擴展，有效延長疲勞壽命，使高性能零件獲得再生機會[38]。由于激光沖擊強化具有靈活、方便、快捷、高效等固有特性，其受到了廣泛的關(guān)注。

由于水輪機葉片、水泵葉片、航空發(fā)動機葉片等遭到隨水流或氣流帶來的砂石、飛鳥、雜物等異物撞擊后，在葉片的尖端、前緣、后緣等部位形成缺口、形變或裂紋，引入應(yīng)力突變或直接成為裂紋萌生源(通常稱之為異物破壞)，直接威脅葉片的安全使用壽命，使機組失效甚至釀成災(zāi)難性事故。1995年，美國率先研究了激光沖擊強化對異物破壞的航空發(fā)動機風(fēng)扇的影響(見圖4)，發(fā)現(xiàn)有異物損傷缺口的F101葉片經(jīng)過激光沖擊強化后，其疲勞強度為290 MPa，接近甚至

超過沒有破壞也沒有經(jīng)過激光沖擊強化處理的葉片[39]。2002年后，美國便開始將激光沖擊強化技術(shù)大規(guī)模用于航空部件的修理中。2003年，美國聯(lián)邦航空局和日本亞細亞航空局正式將激光沖擊強化技術(shù)批準(zhǔn)為飛機關(guān)鍵件的維修技術(shù)，當(dāng)年這項技術(shù)被用于Boeing777飛機的零部件維修處理，這也標(biāo)志著激光沖擊強化技術(shù)正式全面用于軍民飛機結(jié)構(gòu)件的維修延壽，每月平均約節(jié)省零件更換費900萬美元[40]。2008年，東京電力株式會社對低壓蒸汽機損傷的長葉片進行激光沖擊強化再制造，有效延長葉片的使用壽命 1倍以上[41]。2013年，中科院沈陽自動化所與鞍鋼合作，開始對有微小裂紋的鍛壓模具進行激光沖擊強化，發(fā)現(xiàn)能夠有效控制裂紋的擴展速率，一定程度上節(jié)約了模具的使用成本，大大縮短了停機修復(fù)時間。

圖4 激光沖擊強化損傷的葉片[39]Fig. 4 Laser peening for damaged blades[39]

雖然激光沖擊強化在高性能零件再制造領(lǐng)域已獲得了很多應(yīng)用，但進一步提高其工業(yè)化的應(yīng)用水平，還有一系列技術(shù)瓶頸有待突破。除上述提到的降低激光沖擊強化設(shè)備價格和縮減設(shè)備運行成本之外，最重要的是開發(fā)便捷的、可到現(xiàn)場強化的移動式激光沖擊強化裝備。例如，鋼廠軋輥模具損壞后的停機、拆裝、運輸?shù)榷紩o鋼廠的生成帶來巨大的損失。因而，如果能夠在不拆卸軋輥模具的情況下，直接對其裂紋萌生的部位進行強化，將會給鋼廠節(jié)省成本。飛機的葉片在空中飛行受傷后，降落到地面就能馬上對其損傷部位進行強化，抑制其裂紋擴展，便可繼續(xù)起航，從而可大大縮短旅客的滯留時間，或可大大提高戰(zhàn)斗機的單機飛行架次，為分秒必爭的戰(zhàn)爭贏取勝算時間。這種移動式的激光沖擊強化設(shè)備(見圖 5)已被美國金屬改進公司于 2012年突破[42]，它可把激光沖擊強化再制造場地帶到世界的任何角落。但這項技術(shù)對我國實施了技術(shù)封鎖。雖然金屬改進公司已經(jīng)相繼在蘇州、天津等地注冊了公司，但至今不在我國境內(nèi)提供激光沖擊強化服務(wù)。到目前為止，我國還無工業(yè)應(yīng)用的移動式激光沖擊強化設(shè)備問世。中科院沈陽自動化所等單位率先開展了相關(guān)研究工作，但由于科研經(jīng)費的投入有限，目前還停留在實驗室樣機研制階段。

圖5 移動式激光沖擊強化設(shè)備[42]Fig. 5 Mobile laser peening device[42]

2 激光沖擊強化在腐蝕防護領(lǐng)域中的應(yīng)用

近年來，鋁鎂合金等金屬材料因其較低的密度、較高的強度以及優(yōu)異的機械加工性能，在航空、航海和汽車工業(yè)等領(lǐng)域獲得了與之俱增的關(guān)注與青睞，其作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的使用量逐年遞增。但由于鋁鎂合金等輕金屬材料的耐腐蝕性相對較差，受到應(yīng)力和腐蝕劑的共同作用，易產(chǎn)生腐蝕開裂失效，從而制約了其應(yīng)用范圍的拓展。解決耐腐蝕性差與需求量大的矛盾成為了相關(guān)科學(xué)工作者刻不容緩的任務(wù)。研究人員先后提出并相繼發(fā)展了化學(xué)轉(zhuǎn)化、陽極氧化、氣相沉積、電化學(xué)鍍、離子注入、金屬合金化、表面噴涂等表面改性方法[43]。這些方法在特定環(huán)境中均能有效抑制腐蝕，但對于既要求兼容性又不能引入其他外來元素的場合，此類方法顯然鞭長莫及。但值得慶幸的是，科研人員還發(fā)現(xiàn)金屬表面致密的壓應(yīng)力層同樣也可抑制腐蝕。因而，致密的壓應(yīng)力層是既解決兼容性又可解決抑制腐蝕的最有效的方法之一。因新興的激光沖擊強化技術(shù)能夠使金屬材料表層發(fā)生劇烈的塑性變形、顯微組織結(jié)構(gòu)細化和產(chǎn)生更大(更深)的殘余壓應(yīng)力(層)，從而可提高金屬材料表面耐腐蝕性能且兼顧兼容性[44]。

在利用激光沖擊強化技術(shù)抑制應(yīng)力腐蝕應(yīng)用研究方面，國內(nèi)外機構(gòu)開展了大量的研究工作。1999年，日本東芝公司為防止沸水反應(yīng)堆關(guān)鍵零部件的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生[45]，開始研究無涂層激光沖擊強化對核電站關(guān)鍵零部件腐蝕性能的影響，并于2002年后將該技術(shù)全面用于東芝公司參建的所有核電站中。2003年，美國利弗莫爾國家實驗室研究激光沖擊強化后合金鋼600的抗應(yīng)力腐蝕性能(見圖6)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋明顯從未沖擊強化區(qū)域萌生[46]，而激光沖擊強化區(qū)域未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋。后來，利弗莫爾國家實驗室在YMP研究計劃中，將U型304不銹鋼試樣放入了氯化鎂溶液中做應(yīng)力腐蝕試驗，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)激光沖擊強化處理的試樣2 h內(nèi)出現(xiàn)了裂紋，而經(jīng)激光沖擊強化的試樣在6 d內(nèi)無腐蝕裂紋萌生。在前期試驗研究的基礎(chǔ)上，2010年，利弗莫爾國家實驗室正式對存放核廢料的Al22合金容器焊縫進行了激光沖擊強化，將容器焊縫區(qū)域的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，為容器掩埋在Yucca山下10000年不泄露提供技術(shù)保證。同年，葛茂忠等[47]對軋制態(tài) AZ31B鎂合金薄板進行了激光沖擊強化抑制應(yīng)力腐蝕試驗，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)激光沖擊強化的試件在去離子水中浸沒260 h后，在受拉應(yīng)力一側(cè)的試樣表面出現(xiàn)了許多絲帶裂紋并迅速擴大，而經(jīng)激光沖擊強化的試樣并未出現(xiàn)裂紋。本文作者與東安發(fā)動機公司合作對ZM6鎂合金在NaCl溶液中抗腐蝕性能進行研究，1 h后發(fā)現(xiàn)未經(jīng)激光沖擊強化的試片表面有很多腐蝕的孔洞，而激光沖擊強化的試片表面幾乎無孔洞，再次表明激光沖擊強化能夠抑制應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。

圖6 激光沖擊強化抑制裂紋萌生與擴展[46]Fig. 6 Laser peening stops crack initiation and growth in alloy 600[46]

東芝公司和利弗莫爾國家實驗室利用激光沖擊強化技術(shù)處理沸水堆、壓水堆核反應(yīng)器(見圖7)和核廢料存儲容器，降低了應(yīng)力腐蝕開裂的幾率，取得了重要的應(yīng)用進展。但與前面提到的疲勞領(lǐng)域的應(yīng)用相比，激光沖擊強化抑制腐蝕的工業(yè)應(yīng)用案例明顯少了許多。究其原因，本文作者分析認(rèn)為主要有以下兩點：1) 目前常用的激光沖擊強化設(shè)備限制了其應(yīng)用場合。在工業(yè)應(yīng)用中，從投資成本、生產(chǎn)效率方面分析，與傳統(tǒng)表面改性技術(shù)相比，激光沖擊強化技術(shù)在環(huán)境要求苛刻的、大型的復(fù)雜零件表面改性中才具有無與倫比的優(yōu)勢。從而，對目前常用的激光沖擊強化激光器提出了新的挑戰(zhàn)。目前，在激光沖擊強化應(yīng)用領(lǐng)域使用較多的是波長為1064 nm的激光束，而波長為1064 nm的激光束在水、空氣、鏡片等介質(zhì)中傳播卻要損失大部分能量(例如，水對 1064 nm激光的吸收率約為25%)。因而限制了激光束的傳播距離和在水或腐蝕劑中進行激光沖擊強化。日本東芝公司的波長為532 nm的小型激光器便是在此背景下研制出來的，但目前此種技術(shù)僅被東芝公司掌握；2) 開展應(yīng)力腐蝕、化學(xué)腐蝕研究的周期比較長，很多實驗室的成果還沒有來得及在生產(chǎn)中進行考驗。在實際工況應(yīng)用中，影響應(yīng)力腐蝕的因素很多。而激光沖擊強化抑制應(yīng)力腐蝕的研究才開展20多年，很多數(shù)據(jù)還存在于實驗室中，因而在生產(chǎn)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)相對較少。用戶基于對可靠性和穩(wěn)定性的擔(dān)憂，從而推廣應(yīng)用還有很大的阻力。

圖7 激光沖擊強化核反應(yīng)堆噴頭[45]Fig. 7 Laser peening of nozzles in pressurized water reactor[45]

3 激光沖擊強化在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

生物醫(yī)用材料是一種對生物體組織、器官或功能進行診斷、治療、增強或替代的材料，也即指用于醫(yī)療的能植入生命體或能與生物組織結(jié)合的一類特殊功能材料[48]。隨著科技的不斷發(fā)展與突破，對人類的康復(fù)工程起著不可估量的作用[49]。據(jù)統(tǒng)計，2001年，美國生物醫(yī)用材料的市場規(guī)模已超過1000億美元，2010年，全球40歲以下接受髖關(guān)節(jié)植入的人口約有4000萬，預(yù)計到2030年，這一數(shù)字還將翻一番。除了加快生產(chǎn)滿足預(yù)期需求外，使植入物的壽命更長、生物兼容性更好的新技術(shù)也迫切需要發(fā)展[50]。例如，美國目前有20萬個髖關(guān)節(jié)植入物(即永久植入物)，這些植入物的平均壽命約為10年，意味著患者要是在40歲時進行了植入，患者一生需更換植入物三四次，預(yù)示著將會遭受三四次同樣的痛苦與危險，如果能將永久植入物的壽命延長，那患者可能要少遭受手術(shù)的折磨。對于植入的釘子、夾板等可降解植入物，如果延緩體液對其溶解速率，使得產(chǎn)生的氣體、水等能夠被人體吸收，同樣可減輕患者的痛苦。新興的激光沖擊強化技術(shù)能夠較好地解決植入物壽命和溶解速率的問題[51]，近年來得到了快速的發(fā)展。

圖8 脊柱植入物[52]Fig. 8 Spinal implants[52]

3.1 永久植入物強化

目前，常用的生物醫(yī)用金屬和合金主要有不銹鋼、鈦、鈦合金和鈷鉻合金等。它們的彈性模量、密度與天然骨接近但兩者之間仍然存在一定的差距，進而容易引發(fā)接觸面上的力學(xué)性能不匹配。另外，金屬合金的耐腐蝕性能、耐磨損性能以及與周圍組織界面的結(jié)合力都有待進一步提高，因而有必要對合金進行表面改性。激光沖擊強化使激光沖擊區(qū)的顯微組織呈現(xiàn)位錯纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，能夠明顯提高材料表面的硬度、屈服強度和疲勞壽命。2010年，美國辛辛那提大學(xué)[52]對剛性脊柱植入物進行激光沖擊強化研究，發(fā)現(xiàn)疲勞載荷比從68%提高到了75%，可提高植入物的疲勞強度，2012年，為獲得植入物與人體脊柱的柔性匹配，對所用的TC4鈦合金進行了強化(見圖8)，實現(xiàn)了其在-160N的受力條件下，可工作 5×106個疲勞周次。同年，朱偉[53]對激光沖擊強化 Ti13Nb13Zr醫(yī)用鈦合金的生物摩擦和腐蝕性進行了研究，發(fā)現(xiàn)激光沖擊強化后的試樣的磨損機制以磨粒磨損和輕微的粘著磨損為主，顯著提高了合金表面的耐蝕耐磨性，約提高24%。利弗莫爾國家實驗室與加州大學(xué)合作，將激光沖擊強化技術(shù)用于兒童膝關(guān)節(jié)植入物的強化[54]。因膝關(guān)節(jié)植入物的強度得到了提高(提高了約 36%)，能夠更大可能的承受兒童生長體重增長引入的應(yīng)力，因而對于需要植入物的正在發(fā)育生長的兒童來講，其要承受的替換外科手術(shù)從過去的幾年就要做一次，發(fā)展到目前的近十年做一次，大大減少了病人的痛苦，并降低了手術(shù)帶入的危險。

隨著醫(yī)療水平的進步，關(guān)節(jié)、支架等人體永久植入物的需求越來越大，各國均制定了苛刻的外科植入物生產(chǎn)實施細則，對植物的生產(chǎn)進行嚴(yán)格管控。因而，作為新發(fā)展起來的激光沖擊強化技術(shù)真正全面用在醫(yī)療行業(yè)還有很多審批程序要走。但在不久的將來，憑借其無與比擬的優(yōu)勢將會被大范圍應(yīng)用，為患者帶來福音。

3.2 可降解植入物強化

很多情況下，骨折愈合后需要二次手術(shù)取出內(nèi)固定材料，這不僅給患者帶來更多痛苦、風(fēng)險，還加重了經(jīng)濟、醫(yī)療資源負(fù)擔(dān)。因而，不需二次手術(shù)取出的可降解植入物也受到了科學(xué)家的青睞。鎂或鎂合金由于質(zhì)量輕、密度小，彈性模量較常用的植入物材料更接近正常骨組織，因此，可有效避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)對新骨生成和塑形的影響。鎂或鎂合金不但可在體內(nèi)降解，還能促進骨骼生長和愈合，因而是理想的植入材料。然而，由于其具有降解速率過快、產(chǎn)氣等特點，能夠?qū)е氯梭w不良反應(yīng)。為此，科學(xué)家為控制鎂合金的降解速率，進一步提高生物相容性，提出了化學(xué)沉積、電沉積、微弧氧化、離子注入、激光沖擊強化等很多表面改性方法。由于激光沖擊強化在不引入涂層和合金元素的情況下便可在植入物(見圖 9)表層置入殘余壓應(yīng)力降低溶解速率，故受到了醫(yī)療研究機構(gòu)的極大關(guān)注[55]。2011年，阿拉巴馬大學(xué)利用激光沖擊強化技術(shù)控制鈣鎂合金的降解速度[55]，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)激光沖擊的腐蝕速率為(17±1.2) mm/a，而經(jīng)激光沖擊強化試樣的腐蝕速率約為0.017 mm/a，腐蝕速率降了約100倍。2012年，辛辛那提大學(xué)研究了激光沖擊強化對AZ91D鎂合金植入物的影響[56]，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)激光沖擊的腐蝕速率為140 mm/a，而經(jīng)激光沖擊強化試樣的腐蝕速率約為20 mm/a，腐蝕速率降低了7倍。因此，腐蝕速率的降低將帶來產(chǎn)氣、產(chǎn)水速率的降低，達到人體可吸收的水平，從而極大地提高了生物相容性。

隨著可降解植入物的應(yīng)用量增大，也將帶來可降解植入物激光沖擊強化工藝的發(fā)展。它要求強化區(qū)域全覆蓋植入物表面，由于任何部位的應(yīng)力集中與拉應(yīng)力區(qū)域都可能對降低溶解速率帶來負(fù)面影響[57-59]，因而，需發(fā)展光斑較小靈活的激光沖擊強化裝置，對整個植入物表面進行強化，優(yōu)化應(yīng)力場進行分布。需研究激光沖擊強化對植入物表面完整性的影響，研究加工路徑、沖擊方式等工藝參數(shù)，從而控制其表面粗糙度[60]。

圖9 骨科植入物[56]Fig. 9 Orthopedic implant[56]

4 激光沖擊強化在精密成形領(lǐng)域中的應(yīng)用

為滿足高性能零件(微尺度器件、大型中厚板結(jié)構(gòu)件、加肋壁板等)的發(fā)展，成形技術(shù)正在向尺寸精密化且兼具性能精密化的方向發(fā)展[61]。然而，常用的沖壓、滾壓、熱壓、噴丸等技術(shù)方法不再能滿足加工要求[62-64]，而激光沖擊強化技術(shù)的出現(xiàn)正好可解決這一問題[65]。即在激光沖擊強化過程中，解除零件所受的部分約束，便為零件的成形提供了空間，而這種成形技術(shù)即可有效克服成形過程中的回彈問題，同時也可提高零件的抗疲勞和抗腐蝕性能，也即是一種集成形與強化于一體的復(fù)合工藝技術(shù)，進而達到高性能零件控形控性的目的[66]。另外，因激光沖擊強化路徑軌跡、工藝參數(shù)靈活可靠，光束可分可合、單束或多束可選、光斑可大可小，因而其是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝Ц呔珶o模冷成形技術(shù)[67]，不但可成形微尺度零件，還可成形大型尺度(數(shù)平方米中厚板)零件。

4.1 微機電系統(tǒng)(MEMS)器件成形

近年，MEMS在自動化、電工電子、通訊控制、生物醫(yī)療和航空航天等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[68]，市場保持著約17%的平均增長率。2012年其全球市場份額已突破了155億美元，從而帶動了微細制造技術(shù)的蓬勃發(fā)展[69]。因激光沖擊強化微塑成形技術(shù)具有成形精度高、效率高、無熱影響、成形的零件力學(xué)性能好等優(yōu)勢，自產(chǎn)生之日起便引起了研究者極大的興趣。早在1973年，研究人員便在試驗中實現(xiàn)了激光沖擊強化誘使鋁箔和不銹鋼板發(fā)生塑性變形[70-71]。 2011年，馬德里理工大學(xué)成功成形了微小梁(見圖10)[72]，發(fā)現(xiàn)變形量大小可通過沖擊次數(shù)和激光能量精確可控。2012年，普渡大學(xué)激光沖擊成形了納米線[73-74]，實現(xiàn)了納米線的精密成形，擺脫了復(fù)雜昂貴的納米壓印成形工藝。2005年，哥倫比亞大學(xué)完成了銅箔的激光沖擊強化微彎曲實驗和數(shù)值模擬研究[75]，實現(xiàn)了多點同時加工，保證了加工效率和成形質(zhì)量的穩(wěn)定性。2014年，江蘇大學(xué)在銅箔上也成形了規(guī)則的微坑[76]。因而，激光沖擊強化可對MEMS器件進行加工生產(chǎn)。

圖10 激光沖擊強化成形的器件[72]Fig. 10 Laser shock formed coupons[72]

由上述可知，激光沖擊強化精密成形技術(shù)將會極大地促進MEMS的快速發(fā)展，能夠?qū)EMS元器件的制造工藝從傳統(tǒng)的光刻、化學(xué)腐蝕、顯影、熱壓鍵合等昂貴復(fù)雜的工藝中解放出來(見圖11)[73]。在三維成形方面，更有獨到的優(yōu)勢，只需改變微納器件與光束的相對位置，便能直接成形三維零件，解決無模三維制造技術(shù)的難題，可有效避免傳統(tǒng)工藝制作過程中對已有結(jié)構(gòu)的損壞。另外，激光束通過分光鏡或微透鏡，可將一束光分成多種陣列組合的激光束，實現(xiàn)多點位大批量成形。由于其成形器件的表面具有壓應(yīng)力，從而更有利于微納器件的硬度、疲勞、強度等實用性能發(fā)揮。另外，因激光沖擊成形是一種無熱影響的無接觸的加工方式，且激光工藝參數(shù)精確可控，不會對已有的微結(jié)構(gòu)造成破壞，不會為MEMS器件帶來污染和觸碰，因而，激光沖擊強化技術(shù)將會在MEMS制造領(lǐng)域發(fā)揮重大的作用[77]。MEMS技術(shù)的發(fā)展同時也為激光沖擊技術(shù)的發(fā)展提供了機遇，要求激光沖擊所用的激光束的發(fā)散角更小、光斑更小，光束方向調(diào)節(jié)更靈活，因而，也為激光沖擊強化精密成形提出了小型化、多束光、同步加工的發(fā)展需求。

圖11 激光沖擊成形的納米線[73]Fig. 11 Laser shock formed nanowires[73]

4.2 大型壁板精密成形

金屬板料激光沖擊強化成形后產(chǎn)生的高幅值深殘余壓應(yīng)力層，可顯著地提高零件的疲勞壽命、強度和硬度。因此，特別適合于制造有性能要求的精密大型、中厚度、帶肋的壁板件[78]，如飛機、導(dǎo)彈、火箭、核反應(yīng)堆、汽車上所用的機翼、壁板、金屬容器、覆蓋件等[79]。美國金屬改進公司最早(2012年)將這項技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，成形了80個Boeing747-8飛機機翼鋁合金蒙皮(見圖12)，即能將10 mm厚的7075鋁合金板成形成半徑230 mm的弓形[80]，較好地滿足了大飛機機翼的生產(chǎn)需要。胡永祥利用有限元仿真的方法揭示了激光沖擊TC4鈦合金的成形過程，通過控制工藝參數(shù)可以控制板材的凸面或凹面變形[81]，即實現(xiàn)板料的正反面彎曲變形。喬紅超研究了航空發(fā)動機葉片激光沖擊成形過程中沖擊波在工件內(nèi)部傳播、反射、干涉的機制，不但實現(xiàn)了成形精度約為0.032 mm的精密成形，還解決了葉片內(nèi)部殘余應(yīng)力分布不均的問題，即在成形的基礎(chǔ)上最大限度的提高工件的力學(xué)性能[82]。后來，美國學(xué)者 HACKEL等[83]研究小組對厚度為15.9 mm的2024-T3航空鋁合金厚板進行了激光沖擊精確成形，成形的雙向曲率皆為3.81 m的馬鞍形，說明激光沖擊強化精密成形技術(shù)完全可以成形厚板，解決了現(xiàn)有常用技術(shù)無法解決的問題。為此，烏克蘭安東諾夫設(shè)計局的安-70、國產(chǎn)運 8、俄制蘇-27等飛機的壁板也正嘗試使用這項技術(shù)，解決大飛機制造中的成形問題[79]。

圖12 激光沖擊成形的機翼[80]Fig. 12 Laser shock formed wing[80]

隨ARJ21機翼整體壁板(見圖13)、航空器大型壁板等結(jié)構(gòu)件向結(jié)構(gòu)更大、型面更復(fù)雜、更厚、壁板內(nèi)部更多加強肋、成形曲率更大的方向發(fā)展[84]，成形變得越來越困難，成形精度越來越難保證。不但傳統(tǒng)的噴丸成形技術(shù)難以實現(xiàn)精密成形，現(xiàn)有的激光沖擊強化成形設(shè)備也面臨著一定的挑戰(zhàn)。主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一是光束的傳輸問題。因成形的工件尺寸較大，就要求光束傳播幾米甚至幾十米。這就要求激光器輸出的激光束發(fā)散角盡可能更小，達到 1 mrad以下，同時，光束的傳播也必將帶來能量的損失，也要求激光器輸出更大的能量。目前，傳輸中的光束直徑一般為20 mm以上，因而光束的柔性傳輸問題也需重點考慮；二是大型壁板的成形需要對激光束的能量和成形路徑進行精確的控制。解決成形精度、成本和效率之間的矛盾，進而需預(yù)先對成形零件進行仿真，優(yōu)化最優(yōu)的成形工藝。因此，激光沖擊強化精密成形技術(shù)隨著技術(shù)的突破將會釋放更多的應(yīng)用潛力[85]。

圖13 ARJ21機翼[84]Fig. 13 ARJ21 wing[84]

5 結(jié)論

1) 隨著激光沖擊強化技術(shù)逐步走向成熟，它在高周疲勞、腐蝕防護、生物醫(yī)療、精密成形等方面的應(yīng)用正在迅猛發(fā)展。

2) 綜述性地介紹了激光沖擊強化技術(shù)的主要應(yīng)用，包括國內(nèi)外在高性能零件的制造與再制造、化學(xué)應(yīng)力腐蝕防護、醫(yī)療植入物改性、MEMS成形、大型壁板精密成形等方面的發(fā)展現(xiàn)狀。

3) 激光沖擊強化技術(shù)正在將其精準(zhǔn)的參數(shù)控制、機動靈活的加工方式等特殊性體現(xiàn)在它在應(yīng)用方面的獨到之處，因而帶來其他技術(shù)和方法所不能得到的效果和特性。

4) 除了本研究所提到的應(yīng)用以外，激光沖擊強化技術(shù)還有很多其他應(yīng)用，所有這些應(yīng)用都在進一步促進激光沖擊強化技術(shù)的發(fā)展，使其更加完善。

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