激光冲击原理及其应用

激光冲击强化技术（laser shock peening/processing，LSP）是激光加工技术的最新应用，是一种高效的表面改性技术，其强化原理如图5-21所示。利用峰值功率达到GW级别的纳秒强脉冲激光来轰击金属材料表面吸收层；吸收层的材料吸收激光能量并在很短的时间内（ns量级）气化电离成等离子体状态，等离子体会继续吸收能量并快速膨胀。由于吸收层表面还有一层约束层，因此等离子体膨胀后形成的冲击波只能向着材料方向继续传播。等离子冲击波形成时间短、能量大，因此产生的压力将远大于材料的屈服强度。材料在冲击波压力下会产生一系列变化，包括在内部形成残余应力场，出现位错、孪晶等晶体结构，改善材料近表面的微观组织并在材料表面形成残余压应力，进而显著提升金属材料的疲劳寿命和耐腐蚀、抗磨损性能［26］。

图5-21　激光冲击原理图

与传统的表面强化技术相比，激光冲击强化技术有其自身的特点和技术优势，主要体现在以下几点：

（1）强化效果更佳。由于等离子体冲击波的压力可以达到数GPa甚至TPa量级［27］，在冲击之后金属材料表面会形成比较深的残余压应力层，能达到1～2 mm，比机械喷丸强化高出5～10倍，且表层金属的晶粒会细化甚至出现纳米晶，这些会显著提高金属材料的疲劳寿命，而传统的表面改性技术是无法实现的。(www.xing528.com)

（2）可操控性强，应用范围广。与传统的机械喷丸、低塑性滚光和滚压等表面强化技术相比，激光冲击强化技术拥有更佳的操控性，其强化设备与工艺不需要针对不同零件进行专门设计。这主要是由于该技术操作过程中激光光斑可控，其大小和位置均可以精确控制，因此能够处理一些狭小或者难处理的零件部位，例如燕尾凹槽、焊缝、深孔等。

（3）适用性好。激光冲击强化对金属材料表面基本无影响，与喷丸强化对零件表面粗糙度改变较大相比，其在材料表面留下的冲击微凹坑深度只有数微米，同时也没有热影响。