1 上海市激光技术研究所有限公司，上海 200233
2 上海激光智能制造工程技术研究中心，上海 200233
3 上海科学院，上海 201203
激光冲击强化是一种利用激光束对金属材料表面改性的表面强化技术，具有非接触、可控性强、强化效果突出等特点，在金属表面强化领域得到广泛应用。为更好地了解激光冲击强化技术发展现状和趋势，推动我国在该技术领域的科技研究和创新应用发展，基于Incopat专利数据库，对全球激光冲击强化专利的申请趋势、区域布局、创新主体、研究主题等进行多维度分析。研究发现：激光冲击强化技术正处于发展上升周期，美国、日本是该领域重要的创新主体；中国虽起步较晚，但发展迅速，尤其近几年专利数量逐渐占据主导地位，显示了强大的创新活力，但也存在研究主体集中在高校、科研院所，海外布局薄弱等问题。对此，提出了我国激光冲击强化技术的发展建议。
激光冲击强化 专利分析 专利布局 技术现状 laser shock peening patent analysis patent layout technical status
1 山东理工大学激光高端制造研究中心, 山东 淄博 255000
2 山东理工大学机械工程学院, 山东 淄博 255000
3 山东理工大学材料科学与工程学院, 山东 淄博 255000
借助ABAQUS软件建立了微尺度激光冲击强化(micro-scale laser shock peening, μLSP)过程的有限元模型, 对T2纯铜的μLSP过程进行了数值模拟, 分析了μLSP过程中纯铜的位移、塑性应变和等效应力的动态响应情况以及残余应力的分布规律。结果表明, 冲击波作用到纯铜表面后, 极短时间内便可达到纯铜的动态屈服极限。纯铜表面的位移影响区域直径约为激光光斑的2倍, 并在27 ns时达到位移最大值约0.85 μm。随着冲击波压力的加载, 纯铜产生加工硬化, 塑性应变和等效应力的最大值均出现在加载区域内部的近表层处, 分别约为0.062 MPa和297 MPa。μLSP后纯铜表面激光辐照区域主要表现为残余压应力, 最大值约为199 MPa, 影响深度达40 μm。在激光辐照区域表面边缘存在一定的残余拉应力, 产生“残余应力洞”。同时, μLSP工艺试验结果与数值模拟结果基本一致, 从而验证有限元模型的合理性与可靠性。
微尺度激光冲击强化 数值模拟 有限元分析 塑性变形 残余应力 micro-scale laser shock peening numerical simulation finite element analysis plastic deformation residual stress
1 西安交通大学机械工程学院航空发动机研究所, 陕西 西安 710049
2 空军工程大学航空工程学院等离子体动力学实验室, 陕西 西安 710038
激光冲击强化(LSP)作为一种新型的激光表面处理技术已应用于航空发动机、 机匣等关键部件的强化延寿处理, 确保LSP加工质量的一致性及稳定性对上述航空装备的长寿命服役具有重要意义。 然而, 在高能瞬态LSP过程中, 保护层容易发生烧蚀破损, 极大地限制了LSP的工业应用。 因此, 通过分析激光诱导等离子体光谱信号, 提出了一种基于ReliefF特征权重融合的LSP保护层烧损实时检测方法。 以4 mm厚的7075铝合金为LSP靶材, 以黑胶带为LSP保护层。 首先, 利用长波段范围的Ocean Optics-HR4000光谱仪和高分辨率的Princeton SP2750光谱仪同步采集LSP瞬态过程中产生的等离子体光谱信息; 其次, 根据Princeton SP2750光谱仪采集的高精度光谱信号, 分别选取波长为394.40和396.15 nm的Al Ⅰ谱线以及波长为393.36和396.80 nm的Fe Ⅰ谱线, 提取其峰值强度与Stark展宽特征, 然后结合ReliefF特征重要度筛选出对保护层烧损状态更加敏感的两条Al Ⅰ谱线, 并且定性分析了Al Ⅰ谱线的峰值强度和Stark展宽对保护层烧损状态的敏感程度和瞬态变化规律; 再次, 基于ReliefF算法构造了一种融合多谱线特征信息的特征参数I-FWHM（Intensity-FWHM）, 然后基于特征类间距离, 定量评估了各特征对三类烧损状态的区分能力; 最后, 结合阈值分割法实现了LSP保护层烧损实时检测。 实验结果表明, 峰值强度对于区分正常状态与轻微破损状态的能力很差, 而对于区分轻微破损与完全破损的能力很强; Stark展宽对于区分正常状态与轻微破损状态的能力远优于强度, 而对于区分轻微破损与完全破损的能力相对较弱。 I-FWHM融合了上述单一特征的优点, 能同时较好地区分三类烧损状态, 因此对于LSP过程中保护层烧损状态的实时检测具有更强的抗干扰能力和更高的鲁棒性。
激光冲击强化（LSP） 铝合金 等离子体发射光谱 ReliefF特征融合 实时检测 Laser shock peening(LSP) Aluminium alloy Plasma emission spectroscopy ReliefF feature fusion Real-time detection 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2437
1 宁波大学机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
2 中国科学院宁波材料技术与工程研究所, 浙江 宁波 315201
3 浙江省航空发动机极端制造技术研究重点实验室, 浙江 宁波 315201
镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、机械加工性能好、生物相容性良好等优异性能, 成为潜在新一代可生物降解骨板材料, 但其耐腐蚀性能差, 限制其发展。使用激光冲击强化技术(LSP), 研究其对镁合金表面耐腐蚀性能的影响。采用激光功率密度为1.35 GW/cm2、2.99 GW/cm2和3.92 GW/cm2 进行冲击强化试验, 在3.5%(质量分数)NaCl溶液中, 通过电化学测量技术动电位扫描得到极化曲线, 并通过微观结构探究激光冲击强化对AZ31B镁合金耐腐蚀性能的影响机理。试验结果显示, 随着激光功率密度的提升, 样品的表面硬度也随之提高, 2.99 GW/cm2样品的表面硬度为81.2 HV, 相比原始样品提高了35.8%。XRD图谱显示, 与原始样品相比, 激光冲击处理后的样品衍射峰向高角度方向偏移, 衍射峰强度均降低, 半峰宽增加。2.99 GW/cm2样品的耐腐蚀性能最好, 腐蚀电位为-0.602 41 V, 腐蚀电流密度为1.021 5×10-4 A/cm2, 相比原始样品腐蚀电位提升了50.47%, 腐蚀电流密度降低了42.90%。
激光冲击强化 耐腐蚀性能 影响机理 镁合金 极化曲线 laser shock peening corrosion resistance influence mechanism magnesium alloy polarization curve
1 哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院，广东 深圳 518055
2 广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510320
The double-sided laser shock peening (DSLSP) is proposed to overcome the surface treatment problem related to thin-walled parts with complex surfaces. DSLSP can induce symmetric local deformation on both sides of the workpiece. The symmetric deformation can ensure shape accuracy by forcing local deformation on two sides to eliminate each other. Besides, DSLSP induces compressive residual stress and refined grains on both sides of the workpiece, which contributes to excellent fatigue performance. Recently, DSLSP has attracted great research attention and plays an increasingly critical role in the fatigue life extension of thin-walled components. However, few summaries on DSLSP have been reported in the past several years. For a better understanding of DNLSP, this article summarizes its technical principle, physical mechanism, application, and other aspects, and prospects of its existing problems and development prospects.
激光冲击强化 双面激光冲击 形状控制 疲劳性能 double-sided laser shock peening simulation research shape control fatigue performance
为了改善冷喷涂纯铝涂层表面形貌，结合激光冲击强化技术与冷喷涂技术，使用低压冷喷涂设备，以压缩空气作为介质，在镁合金表面上制备了一层纯铝涂层，研究了冷喷涂纯铝涂层在不同激光冲击次数作用下的表面形貌、粗糙度、物相、残余应力和显微硬度的变化。试验结果表明，激光冲击后涂层表面形貌趋于平整，激光冲击1、2、3次后的表面粗糙度相较于原始涂层分别降低了30.67%、50.96%、58.53%，但粗糙度降幅逐渐下降，残余应力状态由拉应力逐渐转变为压应力，涂层表面显微硬度分别提高了16.22%、27.46%、34.49%，单次的增幅呈现下降趋势。首次激光冲击对涂层表面的作用效果最为明显，后续冲击的作用效果不断衰减，总体作用效果随激光冲击次数的增加而不断提升。
激光技术 激光冲击强化 冷喷涂 纯铝涂层 粗糙度 塑性变形
1 中国航空制造技术研究院先进表面工程技术航空科技重点实验室，北京 100024
2 中国航空制造技术研究院材料应用研究部，北京 100024
激光冲击强化是一种先进的材料表面抗疲劳制造技术，本文采用正交试验方法研究了激光冲击2050铝锂合金表面残余应力分布规律，获得了优化的激光冲击参数，并在此参数下验证了疲劳寿命增益。研究结果表明：激光冲击强化诱导的残余应力与试样的几何特性相关性较强，而激光冲击参数本身搭接率对残余应力的影响大于激光能量、大于冲击次数，最佳工艺参数为激光功率密度5.30 GW·cm-2、搭接率50%、2次冲击。采用此参数冲击后260 MPa和200 MPa应力水平下疲劳寿命分别提高了22%和63%。
激光技术 激光冲击强化 2050铝锂合金 残余应力 疲劳特性 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0114002
1 河南科技大学材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023
2 有色金属新材料与先进加工技术省部共建协同创新中心，河南 洛阳 471023
通过对激光增材制造(LAM)TC4钛合金表面进行激光冲击强化(LSP)，对比研究了LSP处理对LAM-TC4钛合金微观组织、力学性能和断口形貌的影响。LAM-TC4钛合金的原始组织由大量粗大的α板条及一定数量的板条间β相构成。经LSP处理后，表层组织在高能冲击波的作用下，原始粗大的α板条破碎细化，形成了大量位错和形变孪晶，导致晶格畸变。LSP处理使LAM-TC4钛合金的残余应力由残余拉应力转变成残余压应力。LSP处理后LAM-TC4钛合金表面存在的最大残余压应力为－190 MPa，显微硬度提高了16.5%，显微硬度随深度的增加而减小。此外，经LSP处理后，LAM-TC4钛合金的屈服强度和抗拉强度较LSP处理前分别提高了46.3%和32.3%，塑性基本维持不变。LSP处理可使LAM-TC4钛合金获得更好的强度和塑性匹配。
激光技术 激光增材制造 激光冲击强化 钛合金 微观组织 力学性能 断口形貌 中国激光
2022, 49(16): 1602017
1 江苏大学先进制造与现代装备技术工程研究院，江苏 镇江 212013
2 江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013
激光-超声复合喷丸强化方法利用超声冲击波与激光冲击波复合效应调控微观组织与表面残余应力，进而改善金属材料的表面性能。以2024-T351铝合金为研究对象，开展了激光-超声复合喷丸强化实验，使用扫描电子显微镜分析了激光喷丸(LSP)、超声喷丸(UIP)与LSP＋UIP诱导的微观组织特征，并实验研究了LSP、UIP与LSP＋UIP对表面形貌、粗糙度、显微硬度、残余应力的影响规律。结果表明，相较于LSP，LSP＋UIP可显著降低材料表面粗糙度，同时促进表面晶粒细化，表面残余压应力幅值与表面显微硬度分别增加了25.8%与12.9%，获得了更优良的表面性能。
激光制造 激光喷丸 超声喷丸 表面性能 晶粒组织 残余应力 中国激光
2022, 49(16): 1602003
1 河南科技大学材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023
2 有色金属新材料与先进加工技术省部共建协同创新中心，河南 洛阳 471023
3 黄河科技学院机械工程学院，河南 郑州 450063
激光冲击强化(Laser shock peening，LSP)是一种新颖的非弹丸撞击式表面改性技术。利用LSP对片层组织Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo(Ti80)钛合金进行表面处理，并研究了LSP对其微观组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响。LSP处理后Ti80钛合金发生了严重的塑性变形，表层片层组织中形成了位错缠结、形变孪晶及层错等晶体亚结构缺陷，晶粒发生细化。LSP处理后表层显微硬度提高了21.7%，残余压应力达到最大值(－334 MPa)，且显微硬度和残余压应力都随深度的增加呈现梯度变化特征。LSP处理后产生的加工硬化、细晶强化和残余压应力的作用改善了拉伸性能，断口形貌中的韧窝变得大而深且解理面变少。晶粒细化为钝化膜的形成提供更多的形核位置，同时杂质不容易在晶界偏析，延缓晶间腐蚀；高密度位错阻碍电子转移，降低腐蚀电流密度，使Ti80钛合金在5 mol/L HCL溶液中的耐腐蚀性能得到明显提高。
激光技术 激光冲击强化 Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo钛合金 微观组织 力学性能 耐腐蚀性能
