江蘇大學(xué)頂刊綜述：4萬(wàn)字60幅圖！激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)發(fā)展、挑戰(zhàn)和趨勢(shì)
2023-08-15 13:55:43
作者：材料基 來(lái)源：材料基
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航空制造業(yè)被譽(yù)為“工業(yè)之花”，其制造能力是國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力，疲勞破壞是制約航空復(fù)雜構(gòu)件壽命和安全性的重要因素。激光沖擊強(qiáng)化（Laser shock peening, LSP）是極端條件下的表面劇烈塑性變形方法之一，具有高壓、高能、超快及超高應(yīng)變率四大顯著特點(diǎn)，通過(guò)激光誘導(dǎo)的沖擊波在金屬材料表層產(chǎn)生更深的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，形成梯度納米結(jié)構(gòu)，從而提升材料的抗腐蝕和疲勞性能。美國(guó)使用激光沖擊強(qiáng)化后航空發(fā)動(dòng)機(jī)HCF故障率從53.9%下降至7%，大幅度提高了戰(zhàn)斗機(jī)的安全性。目前，LSP廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、海洋工程、核電等領(lǐng)域。近日，機(jī)械制造領(lǐng)域頂刊International Journal of Machine Tools and Manufacture發(fā)表了教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、江蘇大學(xué)魯金忠教授課題組的長(zhǎng)篇綜述“Progressive developments, challenges and future trends in laser shock peening of metallic materials and alloys: A comprehensive review”。該綜述全面介紹了過(guò)去二十年金屬材料LSP誘導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律、殘余應(yīng)力變化、力學(xué)性能和腐蝕性能的影響，總結(jié)了金屬材料力學(xué)性能與LSP工藝參數(shù)之間的關(guān)系模型，首次完整地提出并形成了三種晶體結(jié)構(gòu)（FCC、HCP和BCC）、四種類型晶粒細(xì)化（原位納米化）機(jī)制。此外，論文介紹了近年發(fā)展起來(lái)的能場(chǎng)輔助LSP技術(shù)、沖擊波新工藝，以及典型工程應(yīng)用。最后，對(duì)LSP技術(shù)在多能場(chǎng)制造、柔性制造、智能制造和成型等方面面臨挑戰(zhàn)和未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行了分析和展望。全文共60頁(yè)，4萬(wàn)余字，綜合大圖60幅，349篇參考文獻(xiàn)，是目前有關(guān)激光沖擊強(qiáng)化理論、技術(shù)及應(yīng)用篇幅最長(zhǎng)、涵蓋內(nèi)容最廣、基于團(tuán)隊(duì)近二十年研究工作及相關(guān)課題組特色工作綜述而成，
(1)與傳統(tǒng)的表面嚴(yán)重塑性變形技術(shù)相比，LSP是一種新型、前景廣闊、無(wú)損的表面塑性變形技術(shù)，在金屬和合金表層能產(chǎn)生超過(guò)1mm深的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，形成梯度納米結(jié)構(gòu)，通過(guò)劇烈塑性變形的裂紋閉合效應(yīng)，有效抑制表面裂紋萌生和微裂紋的擴(kuò)展。
(2)系統(tǒng)地呈現(xiàn)了面心立方、六方密排和體心立方（FCC、HCP和BCC）三種晶體結(jié)構(gòu)金屬的LSP誘導(dǎo)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、孿晶交叉、馬氏體相變等為主的原始粗晶細(xì)化過(guò)程，在此基礎(chǔ)上，首次提出了三種晶體結(jié)構(gòu)四種類型的晶粒細(xì)化（納米化）機(jī)制。
(3)利用溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、力場(chǎng)等輔助能量場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展了新型能量場(chǎng)輔助LSP技術(shù)，例如復(fù)合LSP技術(shù)(X-LSP)、組合LSP技術(shù)（X+LSP或LSP+X），以及集成LSP技術(shù)（3D-LSP）。
(4)未來(lái)10-20年LSP技術(shù)面臨挑戰(zhàn)和未來(lái)趨勢(shì)主要體現(xiàn)在：①能場(chǎng)輔助LSP理論及技術(shù)；②柔性LSP制造及成型工藝；③數(shù)字化或智能LSP技術(shù)及裝備；④新型材料激光沖擊波微觀響應(yīng)；⑤考慮LSP的全生命周期設(shè)計(jì)制造技術(shù)。
(5)盡管LSP技術(shù)在航空航天、核電等領(lǐng)域有典型的工程應(yīng)用，但其應(yīng)用的廣度和深度需進(jìn)一步推進(jìn)，其高效、穩(wěn)定、可靠性以及智能化還需進(jìn)一步探索和加強(qiáng)。未來(lái)，LSP理論和技術(shù)的快速發(fā)展會(huì)更大范圍、更大規(guī)模地促進(jìn)其商業(yè)價(jià)值，成為激光先進(jìn)制造技術(shù)中不可或缺的重要組成部分。
https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104061
圖1 不同應(yīng)變率表面塑性變形技術(shù)對(duì)比圖6 適用LSP工藝的典型激光器及其重要技術(shù)參數(shù)圖17 三種晶體結(jié)構(gòu)金屬LSP誘導(dǎo)的四種晶粒細(xì)化（納米化）機(jī)制
圖18 多種金屬/合金LSP誘導(dǎo)的拉伸性能比較
圖24 表面完整性對(duì)LSP誘導(dǎo)的抗疲勞性能的影響規(guī)律
圖26 LSP對(duì)AISI 420馬氏體鋼的抗腐蝕性能的影響
圖32 能場(chǎng)輔助LSP技術(shù)概述圖35不同金屬的LSP和WLSP誘導(dǎo)的不同性能變化：(a)殘余應(yīng)力，(b)殘余應(yīng)力松弛，(c)表面粗糙度，(d)微觀硬度，(e)高周疲勞壽命，(f)低周疲勞壽命，(g) 疲勞強(qiáng)度，(h)抗拉強(qiáng)度，(i)屈服強(qiáng)度和(j)延伸率。
圖59 1962~2023年LSP技術(shù)及裝備的發(fā)展歷程圖60 LSP技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、未來(lái)趨勢(shì)及（潛在的）工程應(yīng)用。
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