4. LSP的最新发展

4.1热激光冲击喷丸

WLSP结合了动态应变时效(DSA)和动态析出(DP)的作用，通过生成纳米级析出相，可以显著提高某些合金(如AA 7075、4140钢、Ti64)的残余压应力稳定性。在WLSP过程中，目标金属在进行LSP时被加热到较高的温度(通常为150 ~ 300℃)，由于高温、超高应变率塑性变形，会产生DSA和DP。注意，由于WLSP中使用的工艺温度较高，水不能再作为约束介质。因此，WLSP采用玻璃或硅油作为约束介质。高温和高密度的DSA引起的位错可以增加成核系数。因此，WLSP后生成的析出相密度远高于常温LSP后的析出相密度，如图18所示。这些析出物通过对位错施加钉扎力，显著提高了AA7075的强度，但塑性没有显著降低。

图18 AA 7075在a) RT-LSP(25 ºC, 4 GW cm⁻²)和b) WLSP(250 ºC, 4 GW cm⁻²)处理后的上表面组织。

在Pan及其同事的一项研究中，Ti64使用WLSP进行处理，使用了电磁感应加热器。为了更好地处理具有复杂几何形状的样品，Inamke等人设计了一种新型双激光系统，并使用它对AA6061-T6和TZM合金的接头进行激光焊接。在加工过程中，使用两束激光同时照射目标上相同的表面位置：一束用于为LSP处理提供脉冲激光，另一束用于将材料加热至高温。与加热板相比，这种双激光系统具有更高的加热效率，可用于加工复杂几何形状的零件。采用双激光系统进行WLSP后，发现焊接的AA6061-T6和TZM合金的抗拉强度和延展性显著提高。

已经证明，在适当的工艺温度（300 °C），WLSP能够导致更高的缺陷密度、更高的硬度和更深的压缩残余应力层。Meng等人发现，WLSP处理可以通过晶界的移动和β相的高应变率有效增加Ti6Al4V中α相的体积分数。因此，在由于界面的高体积分数而增加内耗后，阻尼比可以显著增加，从而导致高振动疲劳性能。Liao等人将后处理热处理与WLSP相结合，以优化微观结构，进一步提高机械性能。

显示AISI 4140碳钢微观结构的TEM图像：（a）LSP样品中的层状位错带，（b）WLSP样品中均匀分布的位错结构，（c）WLSP样品中位错和沉淀的缠结（从主要衍射点拍摄的暗场图像），（d）WLSP（从与沉淀相关的衍射点拍摄的暗场图像）产生的球状沉淀。

为了从根本上了解WLSP后机械性能的改善，利用透射电子显微镜（TEM）研究了加工过程中的微观结构演变。上图比较了LSP和WLSP后碳钢AISI 4140的微观结构。如图a和b所示，位错堆积（也称为剪切带）由LSP产生，而在WLSP样品中观察到更多均匀分布的缠结位错结构。这是由于WLSP诱导的DSA效应，其导致促进的位错增殖和位错/位错相互作用，从而形成高度缠结的位错结构。在WLSP过程中，热能和机械能的结合促进了碳原子的扩散，导致位错核附近形成高浓度的碳原子。这些位错核为纳米沉淀的生成提供了潜在的形核位置。在衍射图（图c）中选择一个主要衍射点拍摄的暗场TEM图像显示了位错和沉淀的纠缠。为了更好地观察沉淀物，通过选择与衍射图案中沉淀物相关的衍射点（如图6d所示），拍摄TEM图像。据观察，由于DA效应，WLSP产生了密度高、直径约为10 nm的球状纳米沉淀。

请注意，工艺温度的选择对于实现WLSP的最大效益非常重要，因为硬化效应、残余压应力的深度和大小以及微观结构都受到WLSP期间温度的影响。具体来说，更高的温度不仅可以导致更有效的DP，从而提高硬度，还可以导致更多的热软化。此外，虽然较高的温度通常会导致较深层的压缩残余应力，但也可能会降低这些应力的大小。较高的温度可能通过诱导更有效的DSA效应而导致较高的位错密度，但也可能由于热退火效应而导致较低的位错密度。为WLSP选择合适的温度以达到最佳效果非常重要。Ye等人的研究中对WLSP温度的选择进行了更详细的讨论。

在他们的研究中，比较了有和没有纳米颗粒的材料在拉伸塑性变形过程中的位错密度演变（见下图）。如图a所示，在12ns后，有纳米颗粒的样品中的位错密度远高于没有纳米颗粒的样品中的位错密度。如图b所示，在无颗粒的MDDD单元中观察到位错滑移带。与无颗粒的MDDD单元相比，有颗粒的MDDD单元具有更高的位错密度和更均匀的位错结构分布（图c）。这是由纳米颗粒施加在位错上的钉扎效应引起的。较高的位错密度代表了纳米级沉淀颗粒诱导的额外加工硬化能力，这导致WLSP样品的高强度和高延展性。

（a）有无纳米颗粒塑性变形过程中位错密度的演化；（b）未添加纳米颗粒8 ns后的位错分布图像（红色箭头指向滑移带），以及（c）添加100纳米颗粒8 ns后的位错分布图像。

4.2低温激光冲击喷丸

CLSP结合了低温塑性变形和LSP超高应变率的优点。在CLSP工艺中，将样品浸入液氮中，以获得低温工艺条件。由于温度极低（液氮的沸腾温度，77 K），水不能作为隔离介质，而是使用玻璃。随着温度降低，引发位错滑移所需的流动应力增加，变形孪晶在低温环境中占主导地位，在CLSP处理的铜样品中产生更多变形孪晶。变形孪晶可以作为晶界来抑制位错的移动，从而提高样品的强度。此外，当大量位错在孪晶界附近累积时，会出现应力集中。因此，这些孪晶界也可以用作位错发射源，提供新的位错以保持材料的延展性。因此，经CLSP处理的铜具有高强度和高延展性。

与室温LSP相比，CLSP还可以降低启动相变所需的临界机械驱动力，从而在304不锈钢中诱导更多的马氏体。与室温LSP处理的样品相比，CLSP处理的样品中产生的致密位错、变形孪晶和变形诱发马氏体使这些样品具有更好的机械性能，如硬度、屈服强度和疲劳性能。Li等人在一项针对钛合金的CLSP研究中证明，CLSP导致更高的缺陷密度和更多孪晶，从而导致更高的表面纳米硬度（12.86 与室温下的LSP相比，GPa增加了30.96%，弯曲疲劳性能更好。）

4.3电脉冲辅助激光冲击喷丸

对于塑性相对较低的金属，通过LSP诱导压缩残余应力是一个挑战。提高工件温度（如WLSP）可以显著提高其塑性，从而有效防止LSP加工过程中表面裂纹的形成。与热加热相比，电阻加热可以通过电阻热效应降低流动应力，从而有效地提高金属材料的塑性。最近的一项研究表明，当有效电流密度相同（即恒定热效应）时，脉冲电流比连续电流（CC）更有效地降低材料的流动应力。

从图19可以看出，即使热效应是一致的，脉冲电流也比CC更有效地降低流动应力。这种现象被称为“电塑性效应”。通过利用脉冲电流诱导的电塑性效应，Zhang等人提出了EP-LSP的概念。在EP-LSP期间，样品同时承受高频(100 ~ 500 Hz)的短时脉冲电流(脉冲宽度为100 μs)和超高应变率。

图19 a） Ti64样品在连续和脉冲电流下的温度分布和b）应力-应变曲线。

为了揭示EP-LSP的基本机制，Zhang等人将EP-LSP与连续电流辅助LSP（CC-LSP）进行了比较。调整电气参数，使EP-LSP和CC-LSP的热加热效果相同。在一组五种不同的EP-LSP测试中，峰值电流密度从EP-LSP1逐渐增加到EP-LSP5，并调整频率以确保恒定的热加热效果。如图20a所示，LSP工艺几乎不会改变样品的硬度，而CC-LSP和EP-LSP处理显著提高了硬度。EP LSP处理的样品比CC LSP处理的样品硬度更高，峰值电流密度越高，硬化效果越显著。此外，EP-LSP还会导致更深的硬化层，如图20b所示。脉冲电流可以更有效地降低流动应力，从而产生更高的硬化效果和更深的硬化层。预计EP-LSP可以带来更好的疲劳性能，但这一预测仍需通过实验加以证实。

图20 a） LSP、CC-LSP和EP-LSP处理的表面硬度和b）深度硬度。

选择合适的EP参数对于实现最佳EP-LSP效果非常重要。不过到目前为止，只有Zhang等人的一项研究调查了EP-LSP参数。基于本研究，峰值电流密度越高的EP电流越好，因为较高的峰值电流密度可以更有效地降低Ti64合金的流动应力。值得注意的是，在这项研究中，没有更高的峰值电流密度。需要更深入的研究来了解EP参数对EP-LSP结果的影响。

4.4无涂层激光冲击喷丸

激光冲击焊接的一个主要障碍是需要有一层保护层来防止目标金属的热损伤。在处理复杂的几何形状时，不能有效地应用保护层，这将大大降低LSP的效率。LPwC就是为了应对这一挑战而提出的。在LPwC中，没有吸收层，使得低能脉冲激光束直接照射样品，导致表面汽化和电离，产生等离子体。等离子体继续吸收激光能量，直到形成冲击波，传播到材料中，引起微观结构变化和压缩残余应力。

由于没有吸收层，激光束直接照射目标表面，会发生表面汽化和熔化，从而形成液滴。在水流的冷却作用下，这些液滴会在表面上重新溶解，从而增加表面粗糙度。此外，表面层在再固化过程中会被氧化，并因收缩而导致裂纹的萌生。较高的粗糙度、表面氧化和裂纹会降低样品的抗裂性，从而降低其疲劳性能。使用较低的激光能量（小于0.5 J）可以减轻热损伤，降低表面粗糙度。Sathyajith等人在AL 6061-T6铝合金的表面下未观察到熔化层或微裂纹，证实表面熔化仅影响合金顶面的浅部区域。此外，尽管表面粗糙度会对疲劳寿命产生负面影响，但残余压应力起主导作用。Maawad等人证明，与SP和USP相比，LPwC可以产生更深、更稳定的压缩残余应力层。

LPwC也可用于处理焊缝。例如，Sakino等人证明，LPwC可以有效地在钢焊接接头周围产生残余压应力，并增加其硬度，从而显著延长焊缝的疲劳寿命。Sano等人证明，对于A6061-T6铝合金的LPwC，搅拌摩擦焊接（FSW）试样比未焊接的试样具有更高的疲劳性能。如图21所示，LPwC将搅拌区附近的拉伸残余应力转换为压缩残余应力。由于LPwC处理，硬度也会增加，从而提高疲劳性能。此外，LPwC处理可以通过诱导压缩残余应力和晶粒细化来延缓敏化SUS304不锈钢中SCC的起始和扩展。LPwC还可以通过产生晶相、残余压应力和自由体积的增加来提高金属玻璃的疲劳寿命。

图21 LSP前后FSW试样中的残余应力。

值得注意的是，由于加工过程中热效应引起的晶间腐蚀，LPwC实际上会降低铁素体不锈钢的疲劳寿命，因为疲劳过程中裂纹很容易在晶界形核。由于其复杂的物理过程，改善LPwC疲劳性能的机制尚未完全阐明。然而，LPwC有其独特的优势；如果使用得当，它在某些应用中非常有用（例如，修复水下核反应堆容器）。

4.5飞秒激光冲击喷丸

传统的LSP利用纳秒脉冲激光作为能量源，需要一个限制层来增强冲击波强度，并需要一个吸收层来保护目标材料的表面完整性。这些要求限制了该技术的应用范围。虽然许多学者已经证实，LPwC也可以获得良好的强化效果，这种方法也会导致表面氧化和微裂纹，并且容易在表面层上引起热烧蚀。由于高瞬时功率密度和受加热影响的小区域，FLSP可以有效地增强目标材料，而不需要限制层或吸收层。

由于脉冲持续时间较短，飞秒激光脉冲在产生等离子体之前终止。这样，激光束就不会与等离子体发生相互作用，从而提高了能量转换效率。与传统LSP相比，FLSP具有独特的优势。例如，由于其低脉冲能量，FLSP不一定需要烧蚀涂层材料来保护目标样品免受直接激光加热。此外，在某些配置中，FLSP可导致有效的表面硬化。最后，FLSP通常具有较高的精度，因此适用于加工小型甚至微型部件。不可否认，FLSP也有缺点，包括受影响深度和压缩层较浅，更不用说飞秒激光的成本相对较高。

Nakano等人首次使用飞秒激光对304不锈钢进行LSP处理，他们发现在极低能量辐照下（大约几百微焦耳），它可以提高样品的硬度。硬度的增加证明应变硬化发生在表面层，这与传统的纳秒激光冲击产生的效应相似。然而，这些实验是以水流作为限制层进行的。在另一项研究中，Sano等人在没有限制层或吸收层的情况下，通过FLSP处理2024铝，发现与未经处理的样品相比，疲劳性能显著改善。如图22a所示，304不锈钢的硬度只有在没有水和任何涂层的情况下才能显著提高。这是因为冲击波的传播距离小于涂层的厚度，水将诱导电离并吸收大部分入射激光能量。此外，在没有涂层的空气中进行FLSP处理后，表面粗糙度会增加（图22b），这是可以接受的，因为受飞秒激光热量影响的面积很小。因此，在没有吸收层和限制层的情况下，在许多应用中使用FLSP是可行的。

图22 a）不同加工条件下304不锈钢样品的表面硬度和b）粗糙度测量。

由于迄今为止只有少数研究集中在FLSP上，该过程的许多方面，如在产生等离子体的过程中飞秒激光与金属表面的相互作用机制，以及飞秒激光对材料表面完整性的影响仍不清楚。尽管如此，FLSP由于其独特的优势，在许多应用中具有巨大的潜力。

来源：Recent Developments and Novel Applications of Laser Shock Peening: A Review，Advanced Engineering Materials, doi.org/10.1002/adem.202001216

参考文献：G. Askar'yan, E. Moroz, Sov. J. Exp. Theor. Phys. 1963, 16, 1638.，A. H.Clauer, Metals 2019, 9, 626.