摘要

本文綜述了近年來(lái)溫激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)及相關(guān)激光加工技術(shù)的研究進(jìn)展。詳細(xì)討論了WLSP的工藝設(shè)計(jì)、增強(qiáng)的機(jī)械性能和組織演變。通過(guò)建立加工-組織-性能關(guān)系，回顧了基本的加工機(jī)理。重點(diǎn)討論了納米級(jí)析出過(guò)程的析出動(dòng)力學(xué)，研究了工藝參數(shù)對(duì)納米級(jí)析出物形核的影響，并總結(jié)了多尺度離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)(MDDD)模擬結(jié)果，研究了位錯(cuò)的增殖和傳播行為以及位錯(cuò)釘扎效應(yīng)。此外，綜述了熱工程激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)(TE-LSP)的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了熱工程激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的析出相粗化、疲勞壽命延長(zhǎng)以及基本的工藝機(jī)理。

1. 介紹

激光沖擊噴丸(Laser shock peening, LSP)是一種有效的激光表面處理技術(shù)，用于對(duì)金屬材料進(jìn)行表面處理，以提高金屬材料的表面強(qiáng)度，改善耐磨性和耐腐蝕性，延長(zhǎng)疲勞壽命。這些優(yōu)異的機(jī)械性能主要?dú)w功于激光誘導(dǎo)的表面殘余壓應(yīng)力和加工硬化層。與其他用于提高疲勞性能的塑性變形工藝，如噴丸強(qiáng)化(SP)和超聲波沖擊強(qiáng)化(UIP)相比，LSP具有以下優(yōu)點(diǎn): (1)壓縮或拉伸超載; (2)加工復(fù)雜幾何形狀零件的能力;(3)精確控制脈沖激光能量的能力;(4)由于燒蝕涂層的存在，目標(biāo)表面基本沒有損傷。因此，LSP在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。

盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，但LSP的效率主要受到一個(gè)主要挑戰(zhàn)的限制:在機(jī)械加載或熱加熱過(guò)程中，殘余壓應(yīng)力和加工硬化層容易出現(xiàn)松弛。即使在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度適中的情況下，也可在不到10分鐘的時(shí)間內(nèi)減輕一半的初始?jí)簯?yīng)力。三種機(jī)制是殘余應(yīng)力松弛的主要原因:(1)壓縮或拉伸超載;(2)循環(huán)加載接近或高于極限疲勞;(3)暴露于熱循環(huán)中。從物理冶金學(xué)的角度來(lái)看，應(yīng)力弛豫是通過(guò)位錯(cuò)的傳播和增殖與組織重排相關(guān)聯(lián)的。因此，為了提高激光強(qiáng)化的工藝效率和效果，開發(fā)新型的激光強(qiáng)化工藝來(lái)提高殘余壓應(yīng)力的穩(wěn)定性顯得尤為重要。

噴丸前和噴丸后裂紋形狀的比較。

上圖給出了噴丸前后貫穿管壁的主應(yīng)力腐蝕裂紋形狀示意圖。噴丸前拉管的裂紋形狀為半橢圓形，裂紋長(zhǎng)度在管壁內(nèi)表面最大，在管壁內(nèi)減小。這種形狀類似于在沒有kiss輥的情況下，在液壓膨脹管上觀察到的(Stubbe,1996, KAERI, 1992)。對(duì)于噴丸后產(chǎn)生的裂紋，管壁內(nèi)表面裂紋長(zhǎng)度比管壁內(nèi)裂紋長(zhǎng)度短0.1-0.7 mm左右。裂紋的最大長(zhǎng)度約為管壁厚的四分之一。在比利時(shí)工廠的噴丸管上也觀察到了這種凸起的形狀(Stubbe, 1996)。噴丸處理對(duì)裂紋的取向沒有影響;所有裂紋均為軸向或略向管軸傾斜。

WLSP是一種集LSP、動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效(DSA)和動(dòng)態(tài)沉淀(DP)優(yōu)點(diǎn)于一體的熱機(jī)械表面處理技術(shù)，具有獨(dú)特的、高穩(wěn)定性的顯微組織。DSA作為一種強(qiáng)化機(jī)制，通過(guò)移動(dòng)位錯(cuò)與擴(kuò)散溶質(zhì)原子的相互作用促進(jìn)位錯(cuò)的增殖。這導(dǎo)致更均勻和高密度的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。DP又稱應(yīng)變誘導(dǎo)析出，是變形過(guò)程中導(dǎo)致析出相形核的一種熱-機(jī)械析出效應(yīng)。在WLSP中，DP的成核過(guò)程是由DSA中高密度位錯(cuò)的存在輔助的。dp誘導(dǎo)的納米析出相可以通過(guò)位錯(cuò)與析出相之間的彈性相互作用抑制附近位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，即位錯(cuò)釘扎效應(yīng)。這種釘扎效應(yīng)是提高殘余應(yīng)力和微觀組織穩(wěn)定性的主要因素。從而進(jìn)一步提高了金屬材料的力學(xué)性能。

在WLSP過(guò)程中，dp誘導(dǎo)的納米顆粒粒徑一般為5 ~ 10nm。這是由與激光脈沖持續(xù)時(shí)間相關(guān)的短DP時(shí)間(在納秒量級(jí))決定的。位錯(cuò)釘扎強(qiáng)度受析出相尺寸、數(shù)密度、粒子間距和體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)的影響。為了優(yōu)化位錯(cuò)釘扎強(qiáng)度，熱工程激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)(TE-LSP)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，通過(guò)將析出相動(dòng)力學(xué)從形核階段擴(kuò)展到粗化階段，來(lái)調(diào)整析出相參數(shù)，進(jìn)一步提高金屬材料的疲勞性能。

本文從工藝設(shè)計(jì)、機(jī)械性能的提高和顯微組織的演變等方面對(duì)激光激光強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行了綜述。更重要的是，通過(guò)建立工藝、組織和性能之間的關(guān)系，探討了工藝機(jī)理。本文的研究成果可為激光加工和/或熱機(jī)械加工技術(shù)的設(shè)計(jì)提供重要的見解和指導(dǎo)。

2. 溫激光沖擊噴丸

2．1．流程設(shè)計(jì)

圖1為WLSP實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖。在WLSP過(guò)程中，將目標(biāo)材料加熱到一定的加工溫度?？梢圆捎枚喾N加熱方法來(lái)提供熱能。在目標(biāo)樣品的上表面放置一層燒蝕涂層材料，以吸收激光能量，并保護(hù)樣品表面不受任何不必要的損傷。當(dāng)聚焦脈沖激光能量到達(dá)樣品表面時(shí)，燒蝕涂層被汽化和電離，形成激光誘導(dǎo)的等離子體。激光誘導(dǎo)等離子體的水動(dòng)力膨脹受到置于燒蝕涂層之上的透明約束介質(zhì)的限制。從而產(chǎn)生激光誘導(dǎo)的沖擊波并傳播到目標(biāo)材料中，產(chǎn)生有益的塑性變形。在實(shí)驗(yàn)裝置上，可以選用多種材料作為燒蝕涂層，如鋁箔、黑膠帶、石墨等，而透明的限制介質(zhì)可選用玻璃、水、硅油等。與傳統(tǒng)的激光LSP過(guò)程相似，調(diào)q Nd-YAG納秒脈沖激光系統(tǒng)是可行的。

圖1 WLSP實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖。

在WLSP實(shí)驗(yàn)中，激光功率強(qiáng)度和加工溫度是工藝優(yōu)化的兩個(gè)最關(guān)鍵的工藝參數(shù)。激光功率強(qiáng)度越高，殘余壓應(yīng)力的大小越大，當(dāng)激光強(qiáng)度達(dá)到一定水平時(shí)，殘余壓應(yīng)力會(huì)達(dá)到一個(gè)飽和點(diǎn)。WLSP處理溫度應(yīng)足夠高，以實(shí)現(xiàn)有效的DA效應(yīng)，但又不能過(guò)高，導(dǎo)致熱松弛和組織重排。此外，還需要對(duì)激光加工參數(shù)進(jìn)行操作，包括激光束尺寸、波長(zhǎng)、重疊率等。

2.2 提高機(jī)械性能

表面強(qiáng)度的增強(qiáng)是WLSP后產(chǎn)生的最重要的有利表面特性之一。研究人員對(duì)6061和7075鋁合金(圖2a和b)和碳鋼AISI 4140和1042(圖2c和d)和鈦合金Ti6Al4V進(jìn)行了WLSP實(shí)驗(yàn)。從圖2中可以看出，與LSP試樣相比，WLSP試樣的表面強(qiáng)度更大。例如，在2 GW/cm2的激光強(qiáng)度下，160℃(130 VHN) WLSP處理的AA6061試樣的表面硬度比LSP (102 VHN)高27.5%;當(dāng)激光強(qiáng)度為4 GW/cm2時(shí)，與LSP相比，WLSP使AISI 4140的表面硬度從385提高到421VHN，提高了9.4%。這種表面硬化現(xiàn)象既歸因于通過(guò)表面塑性變形產(chǎn)生的應(yīng)變硬化效應(yīng)，也歸因于通過(guò)第二相納米析出物產(chǎn)生的沉淀硬化效應(yīng)。由于表面硬度測(cè)試相對(duì)于其他力學(xué)測(cè)試方法更容易進(jìn)行，因此通常采用硬度測(cè)試來(lái)指導(dǎo)WLSP參數(shù)優(yōu)化。

圖2 通過(guò)WLSP提高表面強(qiáng)度:(a)鋁合金6061 (AA6061)， (b)鋁合金7075 (AA7075)， (c) AISI 4140鋼，(d)經(jīng)批準(zhǔn)采用的AISI 1042鋼

除表面強(qiáng)度外，殘余壓應(yīng)力穩(wěn)定性的提高是延長(zhǎng)疲勞壽命的主要原因。圖3顯示了AA6061和AISI 4140在WLSP后壓縮殘余應(yīng)力循環(huán)穩(wěn)定性的提高。如圖3a所示，經(jīng)過(guò)wlsp處理的試樣比經(jīng)過(guò)lsp處理的試樣具有更高的殘余應(yīng)力循環(huán)穩(wěn)定性，特別是在高循環(huán)區(qū)域。例如，LSP AA6061試樣在20萬(wàn)次循環(huán)加載后殘余應(yīng)力值下降了38%，而WLSP試樣僅下降了23%。

圖3 通過(guò)WLSP (a) AA6061和(b) AISI 4140提高了殘余壓應(yīng)力的循環(huán)穩(wěn)定性。

綜上所述，激光誘導(dǎo)殘余壓應(yīng)力的大小和深度，以及殘余壓應(yīng)力的穩(wěn)定性對(duì)金屬材料的疲勞性能的決定起著至關(guān)重要的作用。圖4為WLSP后的疲勞壽命延長(zhǎng)情況。與LSP相比，經(jīng)過(guò)100萬(wàn)次加載循環(huán)后，WLSP可以進(jìn)一步提高AA6061的疲勞強(qiáng)度，從180 MPa提高到200 MPa(圖4a)。對(duì)鋁合金而言，高周區(qū)疲勞性能的改善比低周區(qū)更為顯著。對(duì)于碳鋼4140，從圖4b的應(yīng)力-壽命(S-N)曲線可以看出，WLSP試樣(1200 MPa)的疲勞極限比LSP試樣(1125 MPa)大75 MPa。對(duì)于Ti6Al4V鈦合金，如圖4c所示，在100-300℃時(shí)，WLSP試樣的疲勞性能要優(yōu)于室溫LSP試樣，但當(dāng)WLSP處理溫度達(dá)到400℃時(shí)，出現(xiàn)了明顯的疲勞壽命劣化現(xiàn)象。

圖4 WLSP后的延長(zhǎng)疲勞壽命：（a）AA6061，（b）AISI 4140，和（c）Ti6Al4V鈦合金

值得關(guān)注的是，Ye和同事最近報(bào)道，與室溫LSP相比，AA7075的WLSP能夠在不犧牲延展性的情況下提高材料強(qiáng)度。如圖5所示，WLSP試樣的強(qiáng)度為557 MPa，高于LSP試樣的421 MPa，但延性保持在同一水平。這可以解釋為，WLSP樣品中的位錯(cuò)密度低于LSP樣品，為位錯(cuò)堆積留下了更多的空間。此外，由于WLSP產(chǎn)生的沉淀引起的位錯(cuò)釘扎效應(yīng)，抑制了WLSP樣品中位錯(cuò)的動(dòng)態(tài)恢復(fù)，提高了位錯(cuò)的積累能力，從而提高了材料的延性。

圖5 WLSP為AA7075的高強(qiáng)度和延性結(jié)合。

2.3 WLSP誘導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)演變

為進(jìn)一步了解復(fù)合材料的機(jī)械性能，采用透射電子顯微鏡(TEM)研究復(fù)合材料在加工過(guò)程中的微觀組織演變。圖6對(duì)比了AISI 4140碳鋼LSP和WLSP后的顯微組織。如圖6a和b所示，LSP產(chǎn)生位錯(cuò)堆積，也稱為剪切帶，而在WLSP樣品中觀察到更多分布均勻的糾纏位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。這是由于wlsp誘導(dǎo)的DSA效應(yīng)，導(dǎo)致位錯(cuò)增殖和位錯(cuò)/位錯(cuò)相互作用，從而形成高度糾纏的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。在光散射過(guò)程中，熱和機(jī)械能的結(jié)合促進(jìn)了碳原子的擴(kuò)散，導(dǎo)致位錯(cuò)核附近碳原子濃度較高。這些位錯(cuò)芯為納米沉淀的產(chǎn)生提供了潛在的形核位點(diǎn)。在衍射圖中選擇一個(gè)主要的衍射點(diǎn)拍攝的暗場(chǎng)TEM圖像(圖6c)顯示了位錯(cuò)和析出物的糾纏。為了更好地觀察析出相，在衍射圖中選擇與析出相相關(guān)聯(lián)的衍射點(diǎn)，拍攝TEM圖像(如圖6d所示)。在DA效應(yīng)的作用下，WLSP產(chǎn)生了高密度的球狀納米顆粒，粒徑約為10 nm。

圖6 碳鋼AISI 4140的顯微組織:(a) LSP樣品中的片層位錯(cuò)帶，(b) WLSP樣品中的位錯(cuò)均勻分布結(jié)構(gòu)，(c) WLSP樣品中的位錯(cuò)與沉淀物的糾纏(主要衍射點(diǎn)的暗場(chǎng)圖像)，(d) WLSP產(chǎn)生的球狀沉淀物(與沉淀物相關(guān)的衍射斑的暗場(chǎng)圖像)

除碳鋼外，鋁合金是另一種可行的材料體系。WLSP過(guò)程中鋁合金微觀組織演變的TEM圖像如圖7所示。為了研究激光噴丸效果,AA6061是均相的微觀結(jié)構(gòu)在激光加工解決方案治療,以及由此產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能發(fā)電和WLSP樣本比較圖7 a和b。Nano-precipitates高密度和小尺寸生成在WLSP樣品由于DA效果(圖7 b),LSP樣品中未觀察到第二相粒子。為了更好地觀察析出相的結(jié)構(gòu)，選擇與析出相相關(guān)聯(lián)的弱衍射斑來(lái)拍攝暗場(chǎng)圖像(圖7c)。從圖7c中可以看出，T6靜態(tài)時(shí)效產(chǎn)生了較大的棒狀顆粒，而WLSP通過(guò)DA生成了較小的粒徑約為5 ~ 10nm的球形顆粒。此外，Ye和同事還研究了WLSP AA7075樣品的深層析出相分布。從圖7d中可以看出，納米沉淀物在頂表面的體積分?jǐn)?shù)(19.5%)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于400 μm以下的納米沉淀物體積分?jǐn)?shù)(9.7%)。這是由于WLSP引入的塑性應(yīng)變梯度特性。

圖7 鋁合金顯微組織TEM圖:(a) LSP處理后的AA6061; (b) 160℃下WLSP處理后的AA6061中納米級(jí)球形沉淀物;(C) WLSP處理后的AA6061- t6樣品中球形和棒狀沉淀物的暗場(chǎng)圖像。

2．4．過(guò)程機(jī)制

隨著對(duì)強(qiáng)化機(jī)械性能和微觀組織演變的研究，通過(guò)建立工藝、微觀組織和性能之間的關(guān)系，科學(xué)地研究基本的工藝機(jī)理尤為重要。

2.4.1 工藝與組織的關(guān)系

在WLSP工藝中，最重要的工藝參數(shù)是加工溫度和激光強(qiáng)度的提高，有利的顯微組織是位錯(cuò)的均勻分布和納米析出物的高密度。為了建立工藝和微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，應(yīng)回答以下基本問題:WLSP過(guò)程中析出相的形核機(jī)制是什么，加工溫度和激光參數(shù)對(duì)形核過(guò)程的影響是什么，應(yīng)變硬化和納米析出相的存在共同作用下是如何產(chǎn)生高密度、分布均勻的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的。

為了研究成核機(jī)理，建立了考慮加工溫度和激光功率強(qiáng)度的數(shù)值模型，預(yù)測(cè)了WLSP中析出相的成核密度。

基于峰值沖擊波壓力、塑性應(yīng)變和應(yīng)變速率等信息，提出了用擴(kuò)展力學(xué)閾值應(yīng)力(MTS)模型估計(jì)峰值沖擊波后的流動(dòng)應(yīng)力。MTS模型是一種考慮位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和堆積的物理模型。MTS模型綜合了熱激活位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和粘滯拖曳效應(yīng)，適用于大于105/s的超高應(yīng)變速率變形。

圖8a對(duì)比了溫度對(duì)WLSP AA6061樣品中納米析出相形核密度的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和建模結(jié)果。從圖8a中可以看出，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，在160℃下，LSP后的成核密度達(dá)到了104/μm3的水平，而在室溫下，LSP產(chǎn)生的析出物少得多。

圖8 WLSP過(guò)程中AA6061的微觀組織演化模型:(a)溫度對(duì)納米析出相形核密度的影響:(b)有納米沉淀物的MDDD計(jì)算單元中位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的時(shí)間演化，(c)無(wú)納米沉淀物的MDDD計(jì)算單元中位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的時(shí)間演化。

為了研究WLSP過(guò)程中位錯(cuò)的增殖和傳播行為，采用多尺度離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)(MDDD)模擬了WLSP過(guò)程。與分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬和蒙特卡羅(MC)模擬相比，MDDD模擬更適合于激光噴丸過(guò)程的模擬，因?yàn)镸DDD具有較大的計(jì)算量和較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。為了模擬WLSP過(guò)程，在MDDD計(jì)算單元中初始化不同長(zhǎng)度的Frank-Read位錯(cuò)源，并在計(jì)算單元中插入作為位錯(cuò)移動(dòng)障礙的frank -固位環(huán)來(lái)模擬納米沉淀。在MDDD程序中，通過(guò)控制塑性變形應(yīng)變速率來(lái)考慮激光噴丸的激光強(qiáng)度效應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)材料常數(shù)和位錯(cuò)遷移率來(lái)考慮激光噴丸的加工溫度。從圖8b和圖c中可以看出，納米析出相密度高的計(jì)算細(xì)胞中形成了均勻分布的位錯(cuò)，而在沒有納米析出相的MDDD細(xì)胞中，形成了位錯(cuò)密度較高的位錯(cuò)堆積和密度較低的位錯(cuò)無(wú)區(qū)。模擬結(jié)果與TEM觀測(cè)結(jié)果吻合較好。其獨(dú)特的微觀組織演化行為是由于DSA和DA效應(yīng)以及位錯(cuò)與析出相相互作用產(chǎn)生的位錯(cuò)釘扎效應(yīng)。

2.4.2 微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系

在激光強(qiáng)化過(guò)程中，位錯(cuò)釘扎效應(yīng)是提高表面強(qiáng)度、提高殘余應(yīng)力穩(wěn)定性、延長(zhǎng)疲勞壽命的主要原因。為了研究組織與性能之間的關(guān)系，采用MDDD系統(tǒng)模擬了位錯(cuò)釘扎效應(yīng)，并考慮了顆粒體積密度、顆粒尺寸和顆粒間距效應(yīng)。如圖9所示，模擬AA6061的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，顆粒體積密度越大，顆粒尺寸越大，位錯(cuò)釘扎強(qiáng)度越大。在顆粒體積分?jǐn)?shù)不變的情況下，通過(guò)同時(shí)操縱顆粒密度和大小來(lái)研究顆粒間距效應(yīng)(圖9c)。從圖9c中可以看出，位錯(cuò)釘扎效應(yīng)主要受顆粒密度效應(yīng)而不是尺寸效應(yīng)的影響。圖9的模擬結(jié)果為WLSP的過(guò)程機(jī)制提供了有力的證據(jù):WLSP過(guò)程中位錯(cuò)與納米析出相相互作用引起的位錯(cuò)釘扎效應(yīng)是提高金屬材料機(jī)械性能的基礎(chǔ)。

圖9 對(duì)AA6061的WLSP進(jìn)行MDDD模擬，得到了(a)體積密度、(b)尺寸和(c)顆粒間距對(duì)位錯(cuò)釘扎效應(yīng)的影響。

3.熱工程激光沖擊強(qiáng)化

在WLSP之后，即使由于DA效應(yīng)產(chǎn)生了高密度的納米沉淀物，由于DA時(shí)間短(納秒量級(jí))，通常粒徑僅為5 - 10nm。受圖9中MDDD模擬結(jié)果的激勵(lì)，通過(guò)將析出動(dòng)力學(xué)從形核階段擴(kuò)展到粗化階段，優(yōu)化顆粒參數(shù)(尺寸、密度和顆粒間間距)，進(jìn)一步提高位錯(cuò)釘扎強(qiáng)度具有很大的潛力。因此，最近提出了熱工程激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)(TE-LSP)來(lái)優(yōu)化材料的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高熱機(jī)械激光沖擊強(qiáng)化工藝的效果和效率。TE-LSP結(jié)合了WLSP和以下熱處理工藝，綜合了LSP、DA、DSA和靜態(tài)老化(SA)的優(yōu)點(diǎn)，獲得了最佳的機(jī)械性能。

對(duì)碳鋼AISI 4140和鋁合金AA6061進(jìn)行了TE-LSP實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了WLSP與隨后的SA加熱工藝相結(jié)合可以提高位錯(cuò)釘扎強(qiáng)度，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)疲勞壽命的假設(shè)。為獲得優(yōu)化的疲勞壽命，對(duì)激光噴丸強(qiáng)度、WLSP溫度、后加熱時(shí)間和溫度4個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

圖10總結(jié)了TE-LSP[43]處理后AISI 4140的機(jī)械性能增強(qiáng)情況。對(duì)于450℃的沖擊后回火處理(圖10a)，與WLSP相比，經(jīng)過(guò)2 h的沖擊后回火處理，其峰值表面強(qiáng)度提高了28%，表面硬度從360 vhn提高到461VHN。由于過(guò)時(shí)效效應(yīng)，沖擊后回火時(shí)間越長(zhǎng)，軟化效應(yīng)越明顯。對(duì)于350℃的沖擊后回火，需要較長(zhǎng)的回火時(shí)間才能達(dá)到峰值強(qiáng)度，而對(duì)于550℃的沖擊后回火，由于動(dòng)態(tài)恢復(fù)效應(yīng)，回火過(guò)程中硬度急劇下降。

圖10 除表面強(qiáng)度外，沖擊后2 h回火試樣的殘余壓應(yīng)力具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性，如圖10b所示。例如，在100 k循環(huán)加載后，回火2 h試樣的殘余應(yīng)力僅松弛21.6%，而WLSP試樣的殘余應(yīng)力則下降了44%。這提高了表面強(qiáng)度和殘余應(yīng)力穩(wěn)定性，有助于進(jìn)一步延長(zhǎng)疲勞壽命。如圖10c所示，回火2 h試樣的疲勞極限比WLSP試樣的疲勞極限大200 MPa左右。在此還注意到，較長(zhǎng)的沖擊后回火時(shí)間導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的下降。

為了探索TE-LSP過(guò)程中沖擊后加熱效應(yīng)的基本機(jī)理，利用TEM研究了TE-LSP過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變。圖11a和b是暗場(chǎng)TEM圖像，通過(guò)從衍射圖中選擇沉淀相關(guān)衍射點(diǎn)，僅顯示AISI 4140中的沉淀結(jié)。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)2h的沖擊回火后，粗化效應(yīng)導(dǎo)致形成直徑為40-50nm的析出物，顆粒密度保持在較高水平。然而，經(jīng)過(guò)6h的沖擊回火后，平均粒徑增大到約100nm，但發(fā)現(xiàn)顆粒密度顯著下降。在經(jīng)TE-LSP處理的AA6061中也觀察到類似現(xiàn)象（圖11c和d）。

圖11 顯示TE-LSP過(guò)程中沉淀粗化的TEM圖像：（a）沖擊后2小時(shí)回火的AISI 4140樣品，（b）沖擊后6小時(shí)回火的AISI樣品，（c）沖擊后1小時(shí)時(shí)效的AA6061樣品，以及（d）經(jīng)批準(zhǔn)采用的沖擊后4小時(shí)時(shí)效的AA6061樣品。

如前所述，位錯(cuò)釘扎強(qiáng)度受顆粒大小、密度和顆粒間距的影響很大。在后沖擊加熱過(guò)程中，析出物的粗化動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致粒度、密度和顆粒間距之間的平衡。

即使WLSP和相關(guān)激光加工技術(shù)已被證明是有前途的激光材料加工工藝，以改善金屬性能的疲勞性能，進(jìn)一步的研究也具有特定的興趣和重要性。特別是，未來(lái)的研究目標(biāo)包括：建立完整的基于物理的過(guò)程模擬和材料模型，以實(shí)現(xiàn)這些激光技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)除疲勞性能之外的其他增強(qiáng)機(jī)械性能，基于對(duì)WLSP機(jī)理的了解，進(jìn)一步開發(fā)新的激光加工工藝。

4.結(jié)論

本文綜述了近年來(lái)WLSP及其相關(guān)激光加工技術(shù)的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了其工藝設(shè)計(jì)、增強(qiáng)的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)演變。通過(guò)建立過(guò)程、微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，特別是沉淀動(dòng)力學(xué)和位錯(cuò)釘扎效應(yīng)之間的關(guān)系，詳細(xì)討論了基本的過(guò)程機(jī)理。此外，還對(duì)TE-LSP的最新研究進(jìn)行了綜述。本文所獲得的知識(shí)將為其他新型激光加工工藝和/或熱機(jī)械工藝設(shè)計(jì)提供見解和指導(dǎo)。