飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望

王宗申， 臧 彤， 陳 磊， 孔 萌， 鄭宏宇

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院激光高端制造研究中心， 山東 淄博 255000)

0 前 言

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)利用高功率、短脈沖激光束輻射材料表面產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體急劇膨脹爆炸產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波，使材料表層及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)等發(fā)生改變，從而改善材料的強(qiáng)度、提高抗疲勞、抗磨損和抗應(yīng)力腐蝕等性能。 激光沖擊強(qiáng)化作為一種表面改性技術(shù)，利用激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波在材料表面引入殘余壓應(yīng)力和加工硬化，具有強(qiáng)化效果顯著、可控性強(qiáng)、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高結(jié)構(gòu)可靠性和部件疲勞強(qiáng)度、延長(zhǎng)材料使用壽命具有重要作用，在汽車(chē)、航空航天、核工業(yè)與醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[1]。 目前，傳統(tǒng)的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)主要借助納秒脈沖激光實(shí)現(xiàn)。 然而，由于沖擊波強(qiáng)度不足和劇烈的表面熱損傷，實(shí)施納秒激光沖擊強(qiáng)化時(shí)通常需要施加吸收層(比如黑色油漆、黑色膠帶或金屬箔材)和約束層(比如水或玻璃)以改善強(qiáng)化效果(如圖1a 所示)[2]，從而導(dǎo)致對(duì)于復(fù)雜形狀構(gòu)件的處理難度和成本顯著提高[3]。 同時(shí)，納秒激光沖擊強(qiáng)化對(duì)高能量脈沖的依賴和較低的重復(fù)頻率也限制了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用[4]。 與納秒激光相比，飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)可以在不施加吸收層和約束層的情況下產(chǎn)生更高強(qiáng)度的沖擊波(如圖1b 所示)，而且對(duì)靶材的熱影響更小，能夠保證較高的表面質(zhì)量[5，6]。 同時(shí)，超短的激光脈沖寬度可以降低等離子體的遮擋效應(yīng)，進(jìn)而提高激光能量的利用率。 作為一種微尺度范圍內(nèi)的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，飛秒激光沖擊強(qiáng)化采用微米量級(jí)的光斑直徑，脈沖能量在微焦至毫焦量級(jí)，在復(fù)雜形狀微結(jié)構(gòu)表面改性處理、宏觀尺度零件表面微觀造型、微沖擊成形等方面展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景[7，8]。 本文重點(diǎn)介紹了飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展概況，綜述了沖擊模式、激光參數(shù)、附加能場(chǎng)等因素對(duì)強(qiáng)化效果的影響，并對(duì)飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的潛在應(yīng)用與發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

圖1 激光沖擊強(qiáng)化工藝原理示意[2]Fig.1 Schematic diagram of laser shock peening[2]

1 發(fā)展概況

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究伴隨著激光器的發(fā)展，早期的大量研究都是基于納秒脈沖激光。 21 世紀(jì)以來(lái)， 飛秒激光的迅速發(fā)展使得激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究開(kāi)始從納秒領(lǐng)域擴(kuò)展到飛秒領(lǐng)域。 2009 年Nakano等[9]首次實(shí)現(xiàn)了304 不銹鋼的飛秒激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程，研究了飛秒激光沖擊強(qiáng)化不銹鋼的加工硬化情況，發(fā)現(xiàn)材料的表面硬度隨激光能量呈線性提高，證實(shí)飛秒激光可以通過(guò)較低的脈沖能量實(shí)現(xiàn)材料的表面強(qiáng)化。 2010 年Nakano 等[10]將飛秒激光沖擊強(qiáng)化與納秒激光沖擊強(qiáng)化的實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)在相同能量密度下飛秒激光沖擊表面的硬化程度優(yōu)于納秒激光的。 2010 年Wu 等[11]首先建立了飛秒激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中激光與材料相互作用的物理模型，并通過(guò)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)飛秒激光誘導(dǎo)沖擊波產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)高于納秒激光的，并且可以在材料近表面層引入深度達(dá)到100 μm 的殘余壓應(yīng)力。 2016 年Majumdar 等[12]研究了飛秒激光沖擊強(qiáng)化處理中碳鋼板的耐磨損性能，發(fā)現(xiàn)提高了材料的表面硬度并降低了其摩擦系數(shù)，從而使其耐磨損性能顯著提高，材料的磨損機(jī)理由磨粒磨損、微動(dòng)磨損與氧化磨損轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp與微動(dòng)磨損。 2018 年Trdan 等[13]首次研究了飛秒激光沖擊強(qiáng)化對(duì)2024-T3 鋁合金腐蝕行為的影響，發(fā)現(xiàn)加工表面在空氣中暴露后形成分層結(jié)構(gòu)的超疏水表面(表面接觸角為160°±4°)，有效改善了材料的耐腐蝕性能。 2018年Kawashima 等[14]通過(guò)飛秒激光沖擊強(qiáng)化提高了7075-T73 鋁合金攪拌摩擦焊試樣的疲勞性能，認(rèn)為飛秒激光沖擊強(qiáng)化在材料近表面引起的表面硬化和殘余壓應(yīng)力能夠防止疲勞裂紋的產(chǎn)生，從而改善其疲勞性能(如圖2 所示)。 2019 年Sano 等[15]利用飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)將激光焊接2024-T3 鋁合金基體和熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力狀態(tài)由拉應(yīng)力改變?yōu)閴簯?yīng)力，發(fā)現(xiàn)帶有焊接缺陷的鋁合金試樣在較低應(yīng)力水平時(shí)的疲勞性能得到顯著提升。 2021 年Lian[16]通過(guò)雙脈沖飛秒激光進(jìn)行試驗(yàn)與理論計(jì)算，研究了飛秒激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中的能量吸收和力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，揭示了飛秒激光沖擊誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和表面沖擊強(qiáng)化的相關(guān)機(jī)理。 2021 年Wang 等[17]借助超高功率密度和超低脈沖能量的飛秒激光，結(jié)合試驗(yàn)與有限元分析以及分子動(dòng)力學(xué)模擬，證實(shí)了新型低能飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的可行性，并為其強(qiáng)化機(jī)制提供了原子尺度的分析。

圖2 飛秒激光沖擊強(qiáng)化攪拌摩擦焊7075-T73 鋁合金的力學(xué)性能[14]Fig.2 Mechanical properties of friction stir welded 7075-T73 aluminum alloys processed by femtosecond laser shock peening[14]

飛秒激光聚焦區(qū)域空間極小，在能量密度較高時(shí)，具有非常高的沖擊波強(qiáng)度與瞬時(shí)功率，而且對(duì)輻照區(qū)域的熱損傷最小，能夠保證加工表面平整和光滑，加工精度非常高，可達(dá)納米量級(jí)，且對(duì)材料無(wú)選擇性，是精密材料加工的有效工具。 與納秒激光相比，飛秒激光的脈寬極短，在輻照過(guò)程中幾乎不與等離子體發(fā)生相互作用，降低了等離子體的屏蔽作用，使得激光能量能夠全部作用到材料表面。 事實(shí)上，飛秒激光與納秒激光在沖擊變形機(jī)理方面基本一致。 以GH4169 超合金為例，其變形機(jī)理均為位錯(cuò)滑移導(dǎo)致不規(guī)則的原子排布與高密度位錯(cuò)，進(jìn)而形成從材料表面向內(nèi)部的納米晶層和塑性變形層[18]。 但是，不同的脈沖寬度與沖擊波峰值壓力導(dǎo)致變形層深度顯著不同，表面損傷機(jī)理也因脈寬不同而有所差異。 飛秒激光沖擊強(qiáng)化引入的高硬度和殘余壓應(yīng)力多被限制在沖擊表面附近，原因是飛秒激光誘導(dǎo)沖擊波在材料內(nèi)部的傳播和衰減過(guò)程更為迅速，難以引起材料內(nèi)部微觀組織的進(jìn)一步變形[19，20]。 通常情況下，當(dāng)激光與金屬材料相互作用時(shí)，電子在十幾個(gè)飛秒內(nèi)被激發(fā)和電離而形成大量自由電子。 隨后，電子在皮秒時(shí)間范圍內(nèi)通過(guò)聲子耦合或自由電子碰撞將能量傳遞給晶格[21]。 因此，納秒激光的脈寬足以導(dǎo)致顯著的熱效應(yīng)。 當(dāng)飛秒激光能量接近材料損傷閾值時(shí)，能量卻難以從電子傳遞至晶格，此時(shí)晶格熱運(yùn)動(dòng)基本可以忽略，材料表面僅發(fā)生非熱移除[19]。此外，飛秒激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中，等離子體與入射激光的干涉作用常在材料表面誘發(fā)無(wú)明顯熔化層的次波長(zhǎng)波紋狀結(jié)構(gòu)[22]。 諸多研究表明，飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)可以在不施加吸收層和約束層的情況下實(shí)現(xiàn)靶材的表面強(qiáng)化，改善材料的抗疲勞、抗磨損和抗應(yīng)力腐蝕等性能， 從而提高構(gòu)件的使用性能與可靠性[2－4，13，14，17，18，23－26]。 表1 總結(jié)了近年來(lái)飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于不同材料的表面強(qiáng)化情況。

表1 飛秒激光沖擊強(qiáng)化處理不同材料的表面強(qiáng)化情況Table 1 Surface hardening of different materials processed by femtosecond laser shock peening

2 影響因素

2.1 沖擊模式

傳統(tǒng)的納秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)通常使用黑色油漆、黑色膠帶、金屬箔材作為靶材表面的吸收層，用以吸收激光能量，產(chǎn)生等離子體，同時(shí)保護(hù)材料表面不被破壞；使用水層或者玻璃作為約束層，用來(lái)約束等離子體的膨脹，從而提高沖擊波壓力[5]。 由于飛秒激光脈寬極短，在很低的能量下也能產(chǎn)生較高的沖擊波壓力，直接使用飛秒激光輻照材料表面也能誘導(dǎo)高壓沖擊波穿透進(jìn)入材料內(nèi)部，使材料結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。目前，大多數(shù)飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究都不使用吸收層和約束層。 Lu 等[4]通過(guò)研究不同約束層與吸收層對(duì)Mg-3Gd 合金的飛秒激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)在不使用約束層與吸收層的情況下強(qiáng)化效果更好，表面硬度提高更為顯著(如圖3 所示)。 Wang等[25，26，29]發(fā)現(xiàn)，不使用約束層與吸收層時(shí)飛秒激光沖擊強(qiáng)化能夠提高NiTi 形狀記憶合金的表面粗糙度和顯微硬度，改善材料的耐磨損性能，并認(rèn)為是由飛秒激光加工引起的表面織構(gòu)和表面強(qiáng)度的提高所致。 Wang等[24]還發(fā)現(xiàn)，飛秒激光沖擊強(qiáng)化引入的殘余應(yīng)力和氧化膜能夠防止腐蝕裂紋與點(diǎn)蝕的發(fā)生，從而使NiTi 合金在3.5%NaCl 溶液和Hank's 溶液中的耐腐蝕性能得到顯著提高。 Li 等[3]研究發(fā)現(xiàn)，在不使用約束層和吸收層的情況下，飛秒激光沖擊強(qiáng)化不銹鋼的表面硬度顯著提高，表面質(zhì)量良好，而約束層和吸收層的施加會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)化效果減弱。 Maharjan 等[23]使用波長(zhǎng)為800 nm 的飛秒脈沖激光對(duì)420 馬氏體不銹鋼進(jìn)行了飛秒激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在不使用約束層和吸收層時(shí)材料表面仍然能夠出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力與晶粒細(xì)化效果。通常情況下，飛秒激光沖擊波的穿透深度小于吸收層厚度，相對(duì)較低的激光脈沖能量難以穿透吸收層，從而導(dǎo)致大部分能量用于燒蝕吸收層材料，僅有少部分作用至靶材表面[4]。 因此，吸收層的存在往往導(dǎo)致到達(dá)靶材表面的沖擊波強(qiáng)度明顯衰減，從而弱化沖擊效果[3]。 利用水作約束層時(shí)，由于水的密度比空氣大，電離過(guò)程更為劇烈，從而產(chǎn)生高密度的自由電子，對(duì)激光能量產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)[3，20]。 同時(shí)，水面的劇烈震動(dòng)和氣泡的產(chǎn)生將對(duì)后續(xù)激光脈沖產(chǎn)生散射，導(dǎo)致其難以聚焦在吸收層或者靶材表面[4，30，31]。

圖3 不同條件下飛秒激光沖擊Mg-3Gd 合金硬度隨脈沖能量的變化[4]Fig.3 Variation of hardness with pulse energy for Mg-3Gd alloy processed by femtosecond laser shock peening under different conditions[4]

然而，當(dāng)飛秒激光直接作用于靶材時(shí)，會(huì)在靶材表面誘導(dǎo)產(chǎn)生周期性波紋結(jié)構(gòu)[32]。 同時(shí)，隨著飛秒激光能量密度的提高，將逐漸造成靶材表面的氧化和破壞[30，33]。 因此，鑒于激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)與氧化現(xiàn)象對(duì)沖擊效果產(chǎn)生的負(fù)面影響，也有學(xué)者指出，在飛秒激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中，通過(guò)合理使用吸收層和約束層可以保護(hù)靶材表面、改善靶材性能[5]。 Lee 等[27]使用鋅作吸收層、水作約束層開(kāi)展鍍鋅鋼板的飛秒激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)，證實(shí)了吸收層和約束層同時(shí)存在的情況下，材料的硬度可以提升9.3%。 田甜等[5]研究了不同吸收層對(duì)銅箔飛秒激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)采用厚度為324 nm 的金屬鉑層作為吸收層時(shí)更有利于提高銅箔的力學(xué)性能，強(qiáng)化效果更好。 Wang 等[34]研究了不同吸收層和約束層對(duì)飛秒激光沖擊強(qiáng)化WE43 鎂合金的影響，發(fā)現(xiàn)使用黑色膠帶和石英玻璃分別作為吸收層和約束層、激光功率密度為28 GW/cm2時(shí)的強(qiáng)化效果最佳，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化和降低腐蝕驅(qū)動(dòng)力。

2.2 激光參數(shù)

激光沖擊強(qiáng)化是一個(gè)復(fù)雜的加工過(guò)程，任何工藝參數(shù)的不同都會(huì)影響強(qiáng)化效果。 激光能量是影響強(qiáng)化效果的重要因素之一。 如圖4a 所示，飛秒激光沖擊強(qiáng)化后，材料表面及其附近的顯微硬度分布水平隨激光能量密度呈現(xiàn)不同程度的提高。 然而，在所有能量密度下，加工硬化層的深度約為80 μm，大致與激光聚焦光斑的直徑相同[9]。 從圖4b 可以看出，材料的表面硬度隨激光能量密度的提高基本呈線性上升的趨勢(shì)。 通常情況下，應(yīng)變強(qiáng)化主要取決于激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波引入的塑性變形，而塑性變形程度隨激光能量的提高而逐漸提高。 激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波壓力PL與塑性變形層的深度Lp之間的關(guān)系由式Lp∝τs·PL表示。 其中，τs為沖擊波加載時(shí)間。 可以看出，激光沖擊強(qiáng)化效果取決于施加在靶材上的力學(xué)脈沖，而沖擊波壓力PL正比于激光功率密度的平方根。 因此，雖然飛秒激光沖擊加載時(shí)間極短，但是即便在較低的脈沖能量時(shí)也能產(chǎn)生極高的沖擊波壓力，從而使得飛秒激光沖擊強(qiáng)化得以實(shí)現(xiàn)[10]。 同時(shí)，超短脈沖激光加工可在較高的重復(fù)頻率(103～106Hz)下實(shí)現(xiàn)，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，飛秒激光比納秒激光(1～10 Hz)的加工效率更高[23，35]。

圖4 不同激光能量沖擊304 不銹鋼的顯微硬度[9]Fig.4 Micro-hardness of laser peened SUS304 with various laser fluences[9]

事實(shí)上，單純提高激光能量密度，并不能夠增加強(qiáng)化層的厚度，激光沖擊影響層的深度主要與激光光斑直徑有關(guān)[9]。 作為影響強(qiáng)化效果的另一重要參數(shù)，覆蓋率Fc通常表示為。 其中，AL和A分別表示激光聚焦光斑面積和激光輻照區(qū)域面積，N為激光輻照區(qū)域內(nèi)的激光沖擊次數(shù)[9]。 通常，材料的表面硬度與覆蓋率成正比，表面硬度的提高主要取決于激光沖擊次數(shù)的疊加[23]。 然而，與激光能量類似，覆蓋率的提高也不能增加硬化層的深度。 Maharjan 等[23]詳細(xì)分析了不同覆蓋率對(duì)飛秒激光沖擊強(qiáng)化馬氏體不銹鋼的表面形貌、硬度以及殘余應(yīng)力狀態(tài)的影響。 結(jié)果表明，沖擊試樣表面顏色隨覆蓋率的提高逐漸加深，熱損傷加劇，而低覆蓋率更有利于獲得光滑的加工表面。飛秒激光沖擊強(qiáng)化在相對(duì)較低的覆蓋率下沖擊效果得以改善，此時(shí)激光誘導(dǎo)沖擊波與馬氏體相變共同引入表面殘余壓應(yīng)力，而在高覆蓋率下熱效應(yīng)與納米波紋、氧化等表面效應(yīng)加劇，從而導(dǎo)致殘余拉應(yīng)力。 因此，通過(guò)優(yōu)化激光參數(shù)，在保證超高沖擊波壓力的同時(shí)，抑制光學(xué)非線性效應(yīng)，盡可能降低熱效應(yīng)，才能獲得較為理想的飛秒激光沖擊強(qiáng)化效果[6，32]。

2.3 附加能場(chǎng)

在飛秒激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中，高幅值的沖擊波壓力引起材料表面微觀組織及應(yīng)力狀態(tài)的改變，并導(dǎo)致靶材表面產(chǎn)生劇烈微塑性變形。 一方面，激光功率過(guò)高將會(huì)損傷材料表面，甚至引發(fā)微裂紋；另一方面，降低激光功率又無(wú)法充分改變材料的微觀組織和殘余應(yīng)力，導(dǎo)致工藝效率低下。 因此，如何在有效改善材料微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的同時(shí)保證其原有的形狀、尺寸和較好的表面完整性，是微尺度條件下的飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)必須解決的問(wèn)題。 為此，相關(guān)學(xué)者在研究激光參數(shù)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化效果影響的同時(shí)，嘗試將更多能量形式耦合到激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中，進(jìn)一步探索和挖掘附加能場(chǎng)在提高加工精度、加工質(zhì)量和加工效率等方面的潛力[36]。 近年來(lái)，諸如溫度輔助激光沖擊強(qiáng)化[37]、低溫激光沖擊強(qiáng)化[38]、脈沖電流輔助激光沖擊強(qiáng)化[39]、超聲輔助激光沖擊強(qiáng)化[40]等技術(shù)相繼被提出。 研究表明，附加能場(chǎng)的施加能夠?yàn)槲诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)、增殖與湮滅提供潛在的驅(qū)動(dòng)力，從而改善金屬材料的力學(xué)性能[36]。 He 等[41]首次將脈沖磁場(chǎng)與飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)相結(jié)合，研究了附加磁場(chǎng)對(duì)飛秒激光沖擊強(qiáng)化Ti6Al4V 合金的微觀組織與力學(xué)性能的影響。 結(jié)果表明，磁場(chǎng)的施加導(dǎo)致位錯(cuò)的釘扎效應(yīng)減弱，促使位錯(cuò)從晶界向晶內(nèi)擴(kuò)散，進(jìn)而增加了激光誘導(dǎo)塑性變形與晶粒細(xì)化過(guò)程中的滑移源，最終實(shí)現(xiàn)了更為均勻的晶粒細(xì)化與表面強(qiáng)化。

3 潛在應(yīng)用

3.1 微小型產(chǎn)品

微機(jī)電系統(tǒng)中關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)的疲勞失效問(wèn)題，逐漸成為制約產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。 飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)具有沖擊光斑小、沖擊深度淺、熱影響小等技術(shù)特點(diǎn)，可以在材料表面引入僅幾微米厚的沖擊強(qiáng)化層， 尤其適用于加工微小型產(chǎn)品及其零部件[18，19，22]。 Ye 等[42－44]通過(guò)一系列試驗(yàn)證明了飛秒激光在吸收層和約束層合適的條件下具有沖擊效應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)了飛秒激光沖擊加載致銅箔形變和鋁箔的無(wú)模成形。 2022 年Chen 等[2]直接在空氣中利用較低能量實(shí)現(xiàn)了飛秒激光沖擊純銅的表面強(qiáng)化與晶粒細(xì)化。 隨著脈沖能量的增加，純銅的表面顯微硬度和殘余壓應(yīng)力水平逐漸提高，材料的表面殘余壓應(yīng)力由初始約23.0 MPa 提高至108.3 MPa，且沖擊表面完整性保持良好。同時(shí)，納米壓痕試驗(yàn)結(jié)果表明，飛秒激光沖擊強(qiáng)化可在純銅表面引入厚度約5 μm 的強(qiáng)化層(如圖5 所示)?？梢?jiàn)，飛秒激光沖擊加工技術(shù)的產(chǎn)生，將為實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜形狀金屬微構(gòu)件的表面改性處理、提高使用性能及可靠性提供一種全新的研究思路和解決途徑。

圖5 飛秒激光沖擊強(qiáng)化純銅橫截面納米壓痕測(cè)試結(jié)果[4]Fig.5 Nano-indentation testing results at cross section of copper after femtosecond laser shock peening[4]

3.2 鎂及鎂合金

在人體生理環(huán)境中降解速率過(guò)快、局部腐蝕嚴(yán)重、力學(xué)性能差等問(wèn)題嚴(yán)重制約著可降解醫(yī)用鎂合金的臨床應(yīng)用[34]。 制備高強(qiáng)韌鎂合金，提高其耐腐蝕、耐磨損和耐疲勞等性能，實(shí)現(xiàn)降解行為的有效控制，成為鎂合金作為新一代生物醫(yī)用材料應(yīng)用于臨床前亟待解決的問(wèn)題。 目前，傳統(tǒng)的納秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于鎂及鎂合金表面改性的相關(guān)研究已經(jīng)比較成熟，但是針對(duì)飛秒激光沖擊強(qiáng)化鎂及鎂合金的報(bào)道還不多見(jiàn)[35]。2015 年姚紅兵等[45]對(duì)AZ31B 鎂合金的飛秒激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，提出可以用Fabbro 公式來(lái)估算飛秒激光的峰值壓力，并發(fā)現(xiàn)單脈沖飛秒激光沖擊強(qiáng)化產(chǎn)生的塑性變形可在鎂合金表面形成微米級(jí)凹坑，中心點(diǎn)處的最大位移為34 μm。 2019 年Lu等[4]研究了較低脈沖能量、較高重復(fù)率的飛秒激光沖擊強(qiáng)化Mg-3Gd 合金的微觀組織演變和硬度分布，發(fā)現(xiàn)材料表層晶粒(2～4 μm 范圍內(nèi))的顯著細(xì)化導(dǎo)致硬度提高幅度達(dá)到70%。 飛秒激光沖擊強(qiáng)化后，材料表層被加熱并轉(zhuǎn)變成等離子體，伴隨沖擊、氣化、熔化、重凝等現(xiàn)象。等離子體沖擊波壓力一旦超過(guò)材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，材料表面即發(fā)生永久變形。 因此，材料表面壓痕的形成來(lái)源于激光燒蝕導(dǎo)致的材料移除和等離子體沖擊波壓力的共同作用。 2021 年Wang 等[34]利用低脈沖能量飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生物可降解鎂合金的表面改性，顯著改善了WE43 鎂合金在模擬人體環(huán)境中的表面力學(xué)性能和耐腐蝕性能(如圖6 所示)。 2023 年Zang[46]系統(tǒng)地研究了脈沖能量對(duì)飛秒激光沖擊強(qiáng)化AZ31 鎂合金表面完整性的影響規(guī)律，加工后合金的納米硬度由1.14 GPa 提高至1.68 GPa，表面殘余壓應(yīng)力水平提高幅度接近300%，并在材料近表層引入形變孿晶與晶粒細(xì)化層。

圖6 飛秒激光沖擊強(qiáng)化WE43 鎂合金表面變形與改性[34]Fig.6 Surface deformation and modification of WE43 Mg alloy processed by femtosecond laser shock peening[34]

3.3 增材制造

由于工藝控制難度大，影響因素復(fù)雜，增材制造零件常存在氣孔、夾雜、殘余拉應(yīng)力等缺陷，嚴(yán)重制約增材制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。 近年來(lái)，作為一項(xiàng)后處理技術(shù)，激光沖擊強(qiáng)化多被研究用以改善增材制造零件的表面質(zhì)量和力學(xué)性能[47－49]。 Ma 等[50]將飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于增材制造NiTi 合金的后處理，研究了掃描間距對(duì)合金耐腐蝕性能的影響。 結(jié)果表明，合理的飛秒激光沖擊強(qiáng)化處理能夠有效改善增材制造NiTi 合金的表面力學(xué)性能和耐腐蝕性能。 Biddlecom 等[51]研究了飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)對(duì)增材制造AiSi10Mg 合金的殘余應(yīng)力和疲勞壽命的影響，發(fā)現(xiàn)飛秒激光沖擊強(qiáng)化處理能夠獲得足夠深度的殘余壓應(yīng)力以覆蓋疲勞裂紋形核區(qū)，并且可以有效抑制裂紋的擴(kuò)散，從而改善合金的疲勞性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)利用能量在微焦量至毫焦量級(jí)、光斑尺寸在微米量級(jí)的超短脈沖激光誘導(dǎo)沖擊波壓力實(shí)現(xiàn)金屬材料的表面強(qiáng)化，同時(shí)引入殘余壓應(yīng)力，改善抗疲勞、抗磨損和抗應(yīng)力腐蝕等性能，從而提高零部件的使用性能及可靠性，激光參數(shù)、作用時(shí)間、沖擊路徑等精確可控，具有較強(qiáng)的工藝適用性和靈活性，在微小型產(chǎn)品、鎂及鎂合金、增材制造等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 然而，目前關(guān)于飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究報(bào)道非常有限，并且仍然存在諸多亟待解決的問(wèn)題。 例如，飛秒激光與材料之間的相互作用機(jī)制以及表面強(qiáng)化機(jī)理并不清楚；飛秒激光沖擊強(qiáng)化模式適于“直接沖擊”或“限制沖擊”仍有爭(zhēng)論；飛秒激光沖擊強(qiáng)化效率不高且強(qiáng)化效果不易把控。 由此看來(lái)，距離飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚有較大差距。

綜合以上分析，未來(lái)飛秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究將主要集中于以下幾個(gè)方面:(1)借助激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析、數(shù)值模擬等技術(shù)探究飛秒激光沖擊強(qiáng)化機(jī)理及其對(duì)材料表面完整性的影響規(guī)律；(2)深入分析飛秒激光沖擊過(guò)程中吸收層和約束層的作用機(jī)制及其對(duì)強(qiáng)化效果的影響機(jī)理，明確不同沖擊模式的適用條件與范圍；(3)尺度效應(yīng)是激光沖擊強(qiáng)化在微尺度條件下首要考慮的因素，也是研究飛秒激光沖擊強(qiáng)化材料的微塑性變形機(jī)理的重要內(nèi)容；(4)引入電場(chǎng)、磁場(chǎng)、超聲等能場(chǎng)有助于改善強(qiáng)化效果，但能場(chǎng)輔助條件下的飛秒激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程更為復(fù)雜，必須明確單一或者多能場(chǎng)作用下的強(qiáng)化機(jī)制，合理優(yōu)化激光參數(shù)與能場(chǎng)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)化效果的有效調(diào)控；(5)增材制造技術(shù)在制備個(gè)性化鎂合金植入物方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有必要探究飛秒激光沖擊強(qiáng)化對(duì)增材制造鎂合金的適用性及表面改性機(jī)理，重點(diǎn)突破鎂合金植入物的可控降解難題。