導(dǎo)讀：晶粒細(xì)化和排列是提高關(guān)鍵金屬構(gòu)件拉伸和疲勞性能的有效策略。激光沖擊強(qiáng)化(LSP)是一種極端條件下的表面劇烈塑性變形方法，具有高壓(1 GPa-1 TPa)、高能(大于1 GW)、超快(不超過納秒級)、超高應(yīng)變率(大于106 s−1)四個顯著特征，并在表層產(chǎn)生較深的壓縮殘余應(yīng)力(CRS)場，形成梯度納米結(jié)構(gòu)，防止金屬材料和合金的裂紋萌生。廣泛應(yīng)用于航空航天、超載車輛、海洋工程、核電等領(lǐng)域。近二十年來，盡管LSP對金屬材料和合金的表面完整性、微觀組織演變和力學(xué)性能進(jìn)行了一些研究，但對LSP誘導(dǎo)的金屬材料和合金的微觀組織演變和力學(xué)性能缺乏全面的研究。進(jìn)一步分析了金屬材料和合金的力學(xué)性能與LSP工藝參數(shù)之間的關(guān)系。特別是，本文首次對面心立方、體心立方和六角形密排金屬三種晶體結(jié)構(gòu)中lsp誘導(dǎo)的特征微觀結(jié)構(gòu)和晶粒細(xì)化機(jī)制進(jìn)行了闡述和總結(jié)。此外，本文還重點(diǎn)介紹了一些新興的混合LSP技術(shù)和典型的工業(yè)應(yīng)用。最后，列出了未來10-20年面臨的挑戰(zhàn)和未來趨勢，并進(jìn)行了討論。目前的研究結(jié)果表明，LSP作為一種新興的表面改性技術(shù)，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于金屬部件的表層。這些主題的討論可以為表面改性和先進(jìn)激光制造領(lǐng)域的研究人員和工程師提供一些重要的見解。

一個國家的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)潛力通常是根據(jù)其高精度航空航天工業(yè)來定義的[1]。飛機(jī)和航天器的關(guān)鍵和重要結(jié)構(gòu)部件處于極其惡劣的環(huán)境中，因此，它們需要超強(qiáng)的承載能力、極端的耐熱性、超輕的重量和高可靠性。然而，這種具有所需結(jié)構(gòu)特性和性能的高性能部件的加工、材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。為了開發(fā)具有高推重比的輕型航空發(fā)動機(jī)，人們探索了各種輕質(zhì)航空合金，包括鎳基、鈦基和鋁基合金，這些合金具有高強(qiáng)度和耐高溫性能。超過50%的航空發(fā)動機(jī)部件故障是由金屬材料的疲勞和腐蝕引起的。為了提高航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件的抗疲勞性和耐腐蝕性，不涉及材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修改的表面嚴(yán)重塑性變形(S2PD)技術(shù)已成為主要方法。S2PD是一種表面改性技術(shù)，通過對金屬材料表面的沖擊或一定的壓力接觸，引起彈塑性變形，產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力(CRS)、加工硬化和子結(jié)構(gòu)細(xì)化等有益效果。它包括激光沖擊強(qiáng)化(LSP)、攪拌摩擦強(qiáng)化(FSP)和噴丸強(qiáng)化(SP)，可以根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)變速率進(jìn)行區(qū)分。圖1a顯示了應(yīng)變速率與表面晶粒度以及CRS深度之間的關(guān)系。隨著應(yīng)變速率的增加，CRS深度增加，表面晶粒尺寸減小，甚至達(dá)到納米尺度，導(dǎo)致梯度納米結(jié)構(gòu)(GNSs)的形成。GNS改性是調(diào)節(jié)材料強(qiáng)度與塑性協(xié)調(diào)的重要方法。通過變形產(chǎn)生納米晶體的關(guān)鍵因素是高應(yīng)變速率。因此，高應(yīng)變速率是S2PD技術(shù)制備GNSs的重要標(biāo)準(zhǔn)。作為一種典型的高應(yīng)變率S2PD技術(shù)，LSP可以用于制造GNSs和修改關(guān)鍵部件的性能，這是本文的主要研究對象。

在LSP中，金屬材料使用短脈沖(納秒級，甚至皮秒級和飛秒級)和高功率(GW/cm2)激光照射。表面涂層的吸收層吸收能量并爆炸蒸發(fā)，產(chǎn)生高溫(>107 K)和高壓(>GPa)等離子體。等離子體繼續(xù)吸收激光能量，經(jīng)歷劇烈的向外膨脹，然后形成激光沖擊波(LSW)。當(dāng)?shù)入x子體壓力超過金屬材料的Hugoniot彈性極限(HEL)時(shí)，金屬材料發(fā)生動態(tài)塑性變形。LSP技術(shù)的原理如圖1b所示。LSP可以將金屬材料的晶粒細(xì)化到亞微米或納米尺度，并采用“自上而下”的晶粒細(xì)化方法生產(chǎn)GNS。這種晶粒細(xì)化過程伴隨著各種晶格缺陷的形成和獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)特征。此外，LSP可以產(chǎn)生更深一層的CRS。LSP誘導(dǎo)的這兩種特性共同提高了金屬材料的疲勞性能和耐腐蝕性。與SP、冷軋等傳統(tǒng)S2PD技術(shù)相比，LSP具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)強(qiáng)化效果好，殘余應(yīng)力層深;(2)可用性好，處理后可直接應(yīng)用;(3)工藝參數(shù)和處理區(qū)域精確可控。

LSP因其易于適用于金屬材料，從而提高了力學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用。LSP經(jīng)過60年的不斷發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、核電、交通運(yùn)輸、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的先進(jìn)器件制造。20世紀(jì)90年代末，美國在航空發(fā)動機(jī)高周疲勞(HCF)研究項(xiàng)目中將LSP列為第一項(xiàng)工藝技術(shù)。采用LSP技術(shù)后，F-35的疲勞壽命提高了2.5倍，顯著提高了飛機(jī)的可靠性。LSP是美國第四代航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵制造技術(shù)。金屬材料LSP的基本方面可分為三個階段:(1)第一階段(1970 - 1983年)重點(diǎn)研究LSW的產(chǎn)生機(jī)理和LSP誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力沿深度和疲勞抗力方向的分布特征;(2)第二階段(1984年至2009年)強(qiáng)調(diào)表面完整性與性能之間的聯(lián)系。Fabbro等人推導(dǎo)了LSW誘導(dǎo)的CRS分布模型。(3)第三階段(2010年至今)主要研究材料-工藝-微觀結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。Lu等系統(tǒng)地研究了具有不同細(xì)胞結(jié)構(gòu)的金屬材料的lsp誘導(dǎo)晶粒細(xì)化機(jī)制，包括體心立方(BCC)、面心立方(FCC)和六邊形密堆積(HCP)結(jié)構(gòu)。lsp誘導(dǎo)納米結(jié)晶和均勻強(qiáng)化的概念最早由Lu等人提出。此外，LSP方法目前被用于修飾現(xiàn)有材料，以及設(shè)計(jì)和合成具有先進(jìn)性能的新材料和亞穩(wěn)相，并與理論研究相結(jié)合。

然而，由于極端環(huán)境的日益嚴(yán)重，LSP作為單一的機(jī)械場作用受到重大挑戰(zhàn)的限制。LSP技術(shù)的新發(fā)展有望為未來的商業(yè)應(yīng)用制造大尺寸或特殊形狀的金屬部件。多場能量輔助LSP技術(shù)是LSP技術(shù)的關(guān)鍵發(fā)展方向，可以同步或異步地引入新的能量領(lǐng)域，如溫度、電力、機(jī)械等領(lǐng)域。2011年Cheng等研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過熱激光沖擊強(qiáng)化(WLSP)處理后，CRS在高溫循環(huán)載荷下保持了穩(wěn)定性，不同金屬材料的延展性得到了顯著提高。2017年，lain<e:1>等人首先提出了一種新的LSP和SP相結(jié)合的強(qiáng)化方法，誘導(dǎo)了鈦合金2000 μm的CRS層。Kalentics等人和Lu等人提出了三維激光沖擊強(qiáng)化(3D-LSP)技術(shù)，其中使用增材制造(AM)和激光沖擊強(qiáng)化(LSP)交替實(shí)現(xiàn)逐層作用。3D-LSP在調(diào)節(jié)增材制造部件的孔隙率、殘余應(yīng)力分布和微觀結(jié)構(gòu)以及同步金屬材料的強(qiáng)度和韌性方面非常有效。

值得注意的是，近年來已經(jīng)發(fā)表了一些與LSP技術(shù)相關(guān)的綜述。本文綜述了LSP技術(shù)對材料力學(xué)性能和商業(yè)應(yīng)用的影響。此外，文獻(xiàn)對LSP的在線評估與監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了綜述。然而，對lsp誘導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)演變的研究還沒有得到足夠的重視。因此，對于lsp誘導(dǎo)的特征組織及其演化機(jī)制，以及金屬材料和合金的拉伸疲勞性能的改善，目前還缺乏更廣泛和全面的總結(jié)。近二十年來，激光器件的快速發(fā)展，由于塑性變形的突破，帶來了一些新的LSP工程應(yīng)用。因此，由于相關(guān)微觀結(jié)構(gòu)表征技術(shù)的發(fā)展，lsp誘導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)演變已成為一個重要的話題。此外，近十年來出現(xiàn)了新興的能量場輔助LSP技術(shù)。物理能量場耦合LSW的力學(xué)效應(yīng)是新型的激光強(qiáng)化方法，如WLSP技術(shù)、低溫激光沖擊強(qiáng)化(CLSP)技術(shù)和復(fù)合LSP技術(shù)，使材料的顯微組織、拉伸和疲勞性能有了新的改善。但是這些新的LSP技術(shù)和基于LSW的新型制造方法目前還沒有得到總結(jié)。

本研究的目的是為近二十年來lsp誘導(dǎo)的金屬材料和合金的顯微組織演變和力學(xué)性能提供一個全面的視角。分析了金屬材料和合金的力學(xué)性能與LSP工藝參數(shù)之間的關(guān)系。特別是，我們首次提出并總結(jié)了lsp誘導(dǎo)的某些晶體結(jié)構(gòu)(如FCC、HCP和BCC金屬)的特征微觀結(jié)構(gòu)和晶粒細(xì)化機(jī)制。此外，本文還重點(diǎn)介紹了一些新興的混合LSP技術(shù)和典型的工業(yè)應(yīng)用。最后，對面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了討論。本文的工作框架如圖2所示。

江蘇大學(xué)對此進(jìn)行了研究，相關(guān)研究成果以題Progressive developments, challenges and future trends in laser shock peening of metallic materials and alloys: A comprehensive review發(fā)表在International Journal of Machine Tools and Manufacture期刊上

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104061

圖1.表面嚴(yán)重塑性變形(S2PD)技術(shù)。(a) S2PD技術(shù)在壓殘余應(yīng)力深度、晶粒尺寸和應(yīng)變速率方面的總結(jié);(b)激光沖擊強(qiáng)化示意圖。

圖 2.本綜述的主要內(nèi)容框架。

1963年，White和Askaryan等相繼發(fā)現(xiàn)用短脈沖激光束撞擊固體表面可以產(chǎn)生彈性波。此后，LSP技術(shù)的研究得到了廣泛的關(guān)注。圖3給出了LSP技術(shù)的原理圖及其特點(diǎn)。單個LSP過程包括三個主要階段:加熱、絕熱冷卻和有限目標(biāo)的宏觀運(yùn)動。

圖3.激光沖擊強(qiáng)化原理圖及相關(guān)特性。

圖4.激光沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)的分類。

圖5. 不同激光沖擊強(qiáng)化工藝中同一激光沖擊波中等離子體壓力與時(shí)間的關(guān)系。

圖6.激光沖擊強(qiáng)化的典型激光器及其參數(shù)。

圖7.激光沖擊強(qiáng)化(LSP)誘導(dǎo)壓縮殘余應(yīng)力(CRS)的原理:(a)激光沖擊強(qiáng)化(LSP)誘導(dǎo)塑性變形與峰值壓力的函數(shù)關(guān)系;(b)激光激波(LSW)的組成，以及CRS的產(chǎn)生示意圖:(c) LSW與靶標(biāo)的相互作用，(d) LSW消失后的CRS。

圖8.激光沖擊強(qiáng)化(LSP)引起的殘余壓應(yīng)力隨激光沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)的變化規(guī)律(a)激光脈沖寬度，(b)激光功率密度，(c)激光光斑尺寸，(d)沖擊次數(shù)，(e)重疊率，(f)掃描方式。

圖9.激光沖擊強(qiáng)化掃描模式。(a)三種典型的LSP掃描模式。(a1)建成狀態(tài)，(a2) X-Y掃描，(a3) Y-X掃描，(a4) l -螺旋掃描;(b)不燃燒目標(biāo)材料的新型LSP掃描模式。

圖10.激光沖擊強(qiáng)化誘導(dǎo)微觀組織演變的相關(guān)文獻(xiàn)綜述。

圖11.激光沖擊強(qiáng)化誘導(dǎo)高層錯能LY2鋁合金的位錯細(xì)化[24]。(a)不同深度的典型顯微圖;(b)顯微結(jié)構(gòu)演化示意圖。

本文系統(tǒng)回顧了激光沖擊強(qiáng)化(LSP)技術(shù)及其典型工程應(yīng)用，全面介紹了激光沖擊強(qiáng)化的基本原理、表面完整性、微觀結(jié)構(gòu)演變過程和新型混合激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)。重點(diǎn)討論了三種晶體結(jié)構(gòu)中lsp誘導(dǎo)晶粒細(xì)化的機(jī)理，以及未來10-20年面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢。重要結(jié)論如下:與傳統(tǒng)的表面強(qiáng)塑性變形技術(shù)相比，LSP是一種新興的、極具發(fā)展前景的極端條件下強(qiáng)塑性變形技術(shù)，它能產(chǎn)生更深的壓縮殘余應(yīng)力場，并在表層形成梯度納米結(jié)構(gòu)，防止金屬構(gòu)件的裂紋萌生。近二十年來lsp誘導(dǎo)金屬材料和合金表面完整性、力學(xué)性能的綜合研究。系統(tǒng)地介紹了lsp誘導(dǎo)的三種晶體結(jié)構(gòu)(面心立方、體心立方和六角形密排金屬)的特征微觀結(jié)構(gòu)及其演變過程。總結(jié)了位錯運(yùn)動、孿晶分裂和馬氏體相變等塑性變形方法。根據(jù)金屬材料和合金的晶體結(jié)構(gòu)和層錯能，首次提出了5種lsp誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)。由于能量場輔助的優(yōu)勢，如溫度場、電場和機(jī)械場等，一些新的能量場輔助LSP技術(shù)被開發(fā)出來，如混合LSP技術(shù)(X-LSP)、組合LSP技術(shù)(X + LSP或LSP + X)和集成LSP技術(shù)(3D-LSP)。利用激光沖擊波的機(jī)械效應(yīng)，激光沖擊焊接、激光沖擊壓印、激光沖擊爆炸、激光沖擊成形等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)和發(fā)展。雖然在本工作中提出了一些典型的航空航天部件的工程應(yīng)用，但一些考慮到其商業(yè)價(jià)值的LSP技術(shù)將是一個有待解決的挑戰(zhàn)。此外，本文還列舉了LSP的一些發(fā)展趨勢，對該領(lǐng)域的研究人員和工程人員具有一定的指導(dǎo)意義。