鋁合金低能激光噴丸強化技術(shù)及其研究進(jìn)展

肖靜怡，胡宇佳

鋁合金低能激光噴丸強化技術(shù)及其研究進(jìn)展

肖靜怡，胡宇佳

（航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089）

無吸收層低能激光噴丸強化（LSPwC）是基于激光噴丸強化技術(shù)（LSP）發(fā)展出的一種新型表面處理技術(shù)，可以有效提高材料疲勞強度、疲勞壽命和抗應(yīng)力腐蝕能力，且由于LSPwC采用低能激光，不需要吸收層涂覆，比LSP成本更低。介紹了LSPwC技術(shù)的原理，探討了其優(yōu)缺點及可行性，著重介紹了LSPwC在鋁合金方面的研究進(jìn)展。

LSP；LSPwC；激光脈寬；沖擊波波峰

1 引言

激光噴丸強化（LSP）是金屬表面處理的最新工藝方法之一，可以有效提高材料疲勞強度、疲勞壽命和抗應(yīng)力腐蝕能力。而鋁合金由于具有較高的比強度、比模量和良好的可焊性，是現(xiàn)階段航空產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用最廣泛的材料。目前高能激光噴丸強化技術(shù)在航空鋁合金上的應(yīng)用已經(jīng)廣泛開展，并取得顯著成果[1-2]。但由于對激光器要求較高且生產(chǎn)成本較高，并沒有得到廣泛應(yīng)用。

與此同時，無需吸收層的低能激光噴丸技術(shù)（LSPwC）在鋁合金上的研究仍極為有限。對比高能激光噴丸，LSPwC使用基礎(chǔ)頻率的低能激光，且不需要對零件表面進(jìn)行吸收層涂覆處理，極大降低了生產(chǎn)成本和使用門檻。因此，研究鋁合金的無吸收層低能激光噴丸強化技術(shù)，對航空制造行業(yè)具有重要意義。

2 概述

1961年，MICHAELS提出了脈沖激光輻照在材料表面能產(chǎn)生一定強度的沖擊波[3]，在材料表面涂覆一層不透明的吸收層，并在吸收層之上涂覆約束層，高能脈沖激光通過透明約束層輻照吸收層之上，使其迅速汽化產(chǎn)生高壓等離子云，利用等離子爆炸產(chǎn)生的沖擊波在零件表面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力層。吸收層的主要作用是避免激光直接接觸零件表面形成燒蝕、提供等離子體并增加激光吸收能量，約束層的主要作用是限制等離子的膨脹，增加沖擊波的波峰峰值和脈沖寬度。研究表明，當(dāng)激光器的能量密度達(dá)到5～10 GW/cm2時，就可以提供峰值足夠高的沖擊波，使其達(dá)到材料的Hugonoit彈性極限，從而產(chǎn)生壓縮應(yīng)力層和塑性變形[4]。

2006年，SANO等人[4]提出，使用雙頻激光器Nd：YAG的無需吸收層的低能激光噴丸技術(shù)[3]，在產(chǎn)生更少的熱量的同時產(chǎn)生足夠強的高壓等離子云，從而避免了激光燒蝕過程中表面極端狀況的發(fā)生。除此之外，低能激光噴丸強化有望改善脈沖激光的重疊狀況。在高能激光燒蝕情況下，吸收涂層用來避免零件表面的融化和再凝固。高能激光存在脈沖重疊的情況，吸收層會在第一輪沖擊時汽化，因此很難避免零件表面的融化。這一現(xiàn)狀可以通過設(shè)定最佳的參數(shù)的LSPwC技術(shù)解決。通常來講，小于1 J的激光就稱為低能激光，但即使激光能量達(dá)到3 J并產(chǎn)生2～3次諧波，也可以在合理的成本內(nèi)產(chǎn)生較好的激光噴丸結(jié)果。

在LSPwC使用直接燒蝕方式的情況下，沖擊波峰值壓力與激光的脈寬息息相關(guān)。根據(jù)FABBRO等人的研究[5]，在約束情況下，沖擊壓力持續(xù)時間增加3～4倍。因此，可以使用較短的脈沖寬度獲得較大的沖擊峰值。通常使用Nd：YAG激光器進(jìn)行無吸附層的低能噴丸強化時，使用脈寬10 ns的脈沖激光。影響沖擊波峰值的另一個因素是即時脈沖波形，一般來說，短時上升脈沖（SRT）比Gaussian脈沖能產(chǎn)生更大的沖擊波峰值[2]。此外，激光波長也是一個影響因素，通常LSPwC的第二和第三諧振波波長更大。殘余應(yīng)力分布的激光點形狀和峰值壓力影響殘余應(yīng)力場的一致性。不同鋁合金材料低能噴丸強化的基本條件如表1所示[6-7]。

表 1 不同鋁合金材料低能噴丸強化的基本條件

材料激光能量/J波長/nm脈寬/ns表面殘余應(yīng)力/MPa 6061-T60.31 06410-276.9 2024-T3512.41 0649-405

3 研究進(jìn)展

低能激光噴丸技術(shù)是在研究早期的微凹坑陣列激光噴丸時提出的。SANO等人研究了LSPwC對于攪拌摩擦焊接鋁合金Al-6061-T6疲勞性能的影響[8]。彎曲疲勞測試（=﹣1）結(jié)果顯示，使用了60 mJ激光能量的雙頻Nd：YAG激光器進(jìn)行LSPwC處理后，樣件疲勞壽命顯著提高。在相同人員的另一項研究中，證實了LSPwC處理有效地阻止了鋁合金的裂紋蔓延。研究者在使用基礎(chǔ)波長進(jìn)行的LSPwC實驗中，遇到表面融化和再凝固現(xiàn)象，這一問題通過進(jìn)一步調(diào)整激光噴丸參數(shù)得到解決。

SATHYAJITH等人使用1 064 nm基礎(chǔ)波長的低能 （300 mJ）激光在6061-T6鋁合金上進(jìn)行LSPwC處理后發(fā)現(xiàn)[9]，殘余壓應(yīng)力提高約190%，應(yīng)力層深度達(dá)到1.2 mm，在低能激光噴丸技術(shù)上形成了重大突破。在這項低能激光噴丸強化的研究中，脈沖密度（31 pulses/mm2）對在10 ns的短脈沖條件下形成足夠強的激光沖擊載荷起到了至關(guān)重要的作用。激光的效應(yīng)累計達(dá)到了0.6～0.9 kJ/cm2，可以和高能激光強化相提并論。這表明，可以通過調(diào)節(jié)脈沖密度產(chǎn)生較深的殘余壓縮應(yīng)力層。

現(xiàn)階段已可通過調(diào)節(jié)脈沖密度和沖擊次數(shù)產(chǎn)生較深的殘余壓縮應(yīng)力層。Uro? Trdan等人開展了LSPwC的過程模擬[10]，證明這種方法可有效地在近表層引入最大的壓縮殘余應(yīng)力，并且可提高深層硬度。該研究使用的10 ns脈沖激光的最大能量達(dá)到1.9 J，并且使用1.5 J Nd：YAG激光進(jìn)行隨機LSPwC處理的模型，來減少殘余應(yīng)力的各項異性。

4 結(jié)論

LSPwC技術(shù)具有成本低廉，無需吸收層的優(yōu)點，但由于缺少吸收層容易造成材料表面燒蝕融化，因此需要經(jīng)過大量實驗，對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本文討論了LSPwC技術(shù)在鋁合金材料上的研究進(jìn)展，并給出了適用不同鋁合金的LSPwC工藝參數(shù)。未來，隨著LSPwC技術(shù)研究的日益深入，必將在航空領(lǐng)域，特別是小區(qū)域復(fù)雜外形的表面強化上，得到廣泛的應(yīng)用。

［1］黃舒，周建忠，孫月慶，等.激光噴丸強化6061-T6鋁合金板料的表面完整性研究［J］.應(yīng)用激光，2011，38（6）：17-27.

［2］馬壯，李應(yīng)紅，任旭東，等.航空鋁合金激光噴丸強化研究［J］.制造技術(shù)與機床，2007（10）：36-40.

［3］MICHAELS J E.Planetary and space［M］.New York：McGraw-Hill，1961.

［4］SANO Y，OBATA M，KUBO T，et al.Retardation of crack initiation and growth in austenitic stainless steels by laser peening without protective coating ［J］. Materials science and engineering，2006，417（1）：334-340.

［5］FABBRO R，F(xiàn)OURNIER J，BALLARD P，et al.Physical study of laser-produced plasma in confined geometry［J］.Journal of applied physics，1990，68（2）：775-784.

［6］SATHYAJITH S，KALAINATHAN S.Effect of laser shot peening on precipitation hardened aluminum alloy 6061-T6 using low energy laser［J］.Optics and lasers in engineering，2012，50（3）：345-348.

［7］CORREA C，PERAL D，PORRO J A，et al.Random-type scanning patterns in laser shock peening without absorbing coating in 2024-T351 Al alloy：a solution to reduce residual stress anisotropy ［J］.Optics & Laser technology，2015（73）：179-187.

［8］SANO Y，MASAKI K，GUSHI T，et al.Improvement in fatigue performance of friction stir welded A6061-T6 aluminum alloy by laser peening without coating［J］.Materials and design，2012（36）：809-814.

［9］SATHYAJITH S，KALAINATHAN S，SWAROOP S. Laser peening without coating on aluminum alloy Al-6061-T6 using low energy Nd:YAG laser［J］.Optics & laser technology，2013（45）：389-394.

［10］Uro? Trdan，José L Oca?a，Porro Juan A ，et al. Laser shock peening without absorbent coating（LSPwC）effect on 3D surface topography and mechanical properties of 6082-T651 Al alloy［J］. Surface and coatings technology，2012（208）：109-116.

TG156.99

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.064

2095－6835（2021）08－0158－02

肖靜怡（1988—），女，工學(xué)學(xué)士，工程師，工藝員，研究方向為噴丸強化、噴丸成形加工。

〔編輯：丁琳〕