1　引言

2050铝锂合金是一种由美国2004年注册的三代铝锂合金，是在2098铝合金的基础上通过调整Mn、Mg、Li等微合金元素的含量改性而成，主要产品形式为厚板，与7050-T7451铝合金厚板相比，2050铝锂合金具有密度低、弹性模量高、疲劳性及抗应力腐蚀性能优良的特点，并能获得5%的减重效果^［1-2］。近年来，采用2050铝锂合金替代7050铝合金制造飞机机身框、梁等大型高应力结构体成为国内航空设计、制造单位关注的热点。而随着我国对新一代飞机长寿命、高可靠性服役要求的不断提高，以激光为代表的高能束加工技术得到了长足的发展。激光冲击强化（LSP）即为此过程中发展起来的一种先进材料表面抗疲劳制造技术，更具体的是一种利用激光诱导等离子体冲击力学效应进行材料表面强化的工艺方法^［3-4］。

激光冲击强化技术原理如下：采用短脉冲（数十纳秒）的高峰值功率密度（GW·cm^-2）激光辐照在覆盖有吸收层（黑胶带或铝箔）和约束层（玻璃或者水）的金属表面，激光能量被吸收层迅速吸收，形成高温（大于10000 ℃）、高压（大于1 GPa）等离子体冲击波，由于约束层的约束作用，冲击波无法向外扩散，只可向材料内部传递，材料以极高应变率（10⁶ s^-1）发生动态屈服，产生冷塑性变形，同时伴随位错、孪晶等微观组织演变，进而导致材料近表面的晶粒细化并在一定深度上形成残余压应力层^［5-7］，如图1^［8］所示。

图 1. 激光冲击强化及冲击区域材料微观组织演变示意图^［8］

Fig. 1. Schematic of laser shock peening and its microstructural evolution in the peened region^[8]

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具体到铝锂合金激光冲击强化研究上，公开文献显示：中南大学Yang等^［9］研究了激光冲击强化对2195铝锂合金的微观组织及力学性能影响，他们发现强化层晶粒细化明显，出现了明显的纳米晶，一次冲击后晶粒尺寸约为93 nm、三次冲击后纳米晶尺寸进一步细化至70 nm左右；在其另一篇报道中^［10］，他们分析了激光冲击2195铝锂合金的表面梯度组织特征及其演化机制。此外，他们还指出激光冲击强化能够一定程度上提升2195铝锂合金的组织和力学性能的热稳定性^［11］。Karthik等^［12］也研究了多次激光冲击2060-T8铝锂合金的组织、织构和点蚀性能演变特征。残余应力方面，Yang等^［9］分别采用单次和三次冲击2195铝锂合金，在其表面分别获得了199 MPa和266 MPa的残余压应力。Zabeen等^［13］采用激光冲击2099铝锂合金并对其残余应力演变特征进行了分析，发现激光冲击强化诱导产生了幅值约为300 MPa的残余压应力。Keller等^［14］则从试验和有限元数值模拟两个维度研究了激光冲击2198铝锂合金的残余应力分布特征。Hatamleh等^［15］则进一步研究了激光冲击2195铝锂合金搅拌摩擦焊接接头的残余应力分布规律，并探究了其应力松弛行为。此外，他们还对比研究了机械喷丸与激光冲击强化对2195铝锂合金搅拌摩擦焊接接头的裂纹扩展特性的影响，发现喷丸后的裂纹扩展速率并未出现明显减低，而激光冲击强化后的裂纹扩展速率出现明显降低^［16］。然而公开文献仍未见关于2050铝锂合金的激光冲击强化的相关报道。

本文以2050铝锂合金为研究对象，通过设计正交试验探究激光冲击对2050铝锂合金表面残余应力的影响规律，获得优化的工艺参数。随后，采用优化的工艺参数对孔结构进行冲击，对比冲击前后孔结构高周疲劳性能，验证激光冲击强化效果，为激光冲击强化技术在2050铝锂合金上的工程化应用提供技术支撑。

2　试验及表征

2.1　材料及试样制备

本研究中所选用材料为西南铝业（集团）有限责任公司研制的2050铝锂合金轧制板，原始试板尺寸为3000 mm×1500 mm×45 mm。其化学成分、物理及机械性能分别如表1和表2所示。

根据2050铝锂合金未来应用零件典型特征厚度设计了厚度分别为2.5 mm、4.0 mm、15 mm三种试样。试样具体加工步骤如下，首先采用线切割从45 mm厚的2050铝锂合金板表层切取60 mm×40 mm的不同厚度的小块，随后采用机械铣削的方法对试样进行粗加工到相应厚度附近，随后采用磨床对待冲击强化表面机械磨抛，进而获得待强化的残余应力分析试样。

根据GB/T 3075—2021《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》设计如图2所示的板状疲劳试样（厚度为4 mm）。为了提高疲劳断口位置的一致性，本研究中在标准疲劳试样的中心加工了直径为8 mm的通孔，从而可以在应力集中的效应下准确获得激光冲击强化的疲劳增益。激光冲击强化采用异步双面冲击的方式进行，冲击区域大小为20 mm×20 mm。此外，需要说明的是，试样的开孔是在完成双面激光冲击强化之后。

图 2. 孔疲劳试样设计

Fig. 2. Design of hole fatigue specimen

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2.2　激光冲击强化

采用中国航空制造技术研究院装备的LAMBER-H40型激光冲击强化系统进行激光冲击强化试验。该系统由Nd∶YAG脉冲激光器、激光外光路、外控程序、多轴机械手臂、水约束层装置以及反馈控制器等部分组成。主要技术参数包括：激光波长1064 nm、激光脉冲宽度15 ns、单脉冲最高能量40 J、圆形或方形光斑，圆形光斑大小Φ4~6 mm、方形光斑边长4~6 mm可调。激光强度除了用单脉冲能量表示外，还可用功率密度（I）来表示，其表达式为

式中：E为激光单脉冲能量；S为光斑面积；τ为脉冲宽度。工件运动采用外部机械手臂控制，通过机械手多轴联动实现试样的多自由度运动。激光冲击强化具体流程如下：首先选用厚度为100 μm的3M专用铝箔作为吸收层粘贴在试样表面（为保证强化效果，铝箔胶带与试样之间不能存在空气泡），采用1~2 mm去离子水流层作为约束层。激光经全反镜和聚焦透镜聚焦在工件表面。

2.3　正交试验设计

由于激光冲击强化参数之间具有独立性，且包含激光功率密度、冲击次数、光斑大小、搭接率等，同时残余应力还受材料自身属性、结构等特征的影响，因而本研究设计了正交试验来探究激光冲击强化对2050铝锂合金表面残余应力分布的影响规律。表3为根据参数数量设计的四因素三水平正交试验表头，四个因素依次为激光功率密度、搭接率、冲击次数和试样厚度，激光功率密度的三个水平分别为5.30 GW·cm^-2、10.61 GW·cm^-2和15.92 GW·cm^-2，搭接率对应的三个水平分别为15%、33%、50%，冲击次数对应的三个水平分别为1次、2次、3次，试样厚度对应的三个水平分别为2.5 mm、4.0 mm、15 mm。表4为基于表3选定的因素及水平设计的正交试验表。

图3（a）和图3（b）为按照设计的正交试验表分别采用圆形光斑和方形光斑冲击后的残余应力试样实物照片。

图 3. 激光冲击强化后的残余应力试样实物。（a）圆形光斑冲击；（b）方形光斑冲击

Fig. 3. Residual stress specimen after laser shock strengthening. (a) Round spot peening; (b) square spot peening

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2.4　残余应力表征

残余应力测试方法为无损X射线衍射法，测试设备为Proto公司的LXRD型X射线衍射仪，测试标准为EN 15305—2008《Non-destructive Testing-Test Method for Residual Stress analysis by X-ray Diffraction》，测试条件为sin²Ψ法、Cu靶、准直管直径2 mm、衍射角数量11个。每个试样测上任意取5点测量，其平均值作为最终测试结果。

2.5　疲劳寿命表征

采用MTS-50 kN-5型液压伺服疲劳试验机进行激光冲击强化前后的孔结构高周疲劳寿命测试，该试验系统由电源控制柜、疲劳试验机主机及疲劳测试系统组成。试验温度为室温，载荷形式为正弦波曲线加载，应力水平为260 MPa和200 MPa、应力比为0.1、频率为8 Hz。测试前需保证试样装夹紧固不打滑，测试时先施加静载荷然后再施加动载荷，当试样破损后，疲劳试样机将运行断电保护程序，试验随即停止。

3　分析与讨论

3.1　残余应力

表5和表6为圆形光斑冲击后轧制方向（L向）和宽度方向（T向）的残余应力结果。由表5可知，激光冲击强化在2050铝锂合金表面L向诱导产生了明显的残余压应力，且由于冲击参数的不同，其残余应力的结果也明显不同。1~9号试样的残余应力数值分别为-‍91.06 MPa、-‍204.66 MPa、-‍320.42 MPa、-‍246.42 MPa、-‍58.54 MPa、-‍140.54 MPa、-122.62 MPa、-241.4 MPa、-17.06 MPa，其中，残余应力数值超过200 MPa的分别为2号、3号、4号和8号试样，而残余应力数值小于100 MPa的包括1号、5号和9号试样。这说明激光冲击强化残余应力与激光冲击强化参数和试样的几何属性具有较强的相关性^［17-18］。

类似地，由表6可知，激光冲击强化后T向残余应力的数值与L向接近，但在数值上也存在一定的差异，这是由L向和T向微观组织差异引起的各向异性所致。从表面残余应力的数值上看，3号、4号和8号试样的表面残余应力数值超过了200 MPa，而2号试样的表面残余应力数值略有下降。此外值得注意的是，9号试样出现了少量拉应力，这是因为9号试样的厚度为2.5 mm，其冲击过程中的激光功率密度和冲击次数均为最高水平（即15.92 GW·cm^-2、3次冲击），因而试样宏观上出现了明显的弯曲，表面的向外弯曲导致其压缩塑性变形减小，从而最终导致其表面残余应力由压应力状态转变为了拉应力。

图4为圆形光斑冲击条件下四种因素下的极值（R）演变规律，其反映了各个因素对表面残余应力影响程度的大小。从图4可以明显看出，试样厚度对表面残余应力的影响明显超过其他三个因素，这说明表面残余应力是一种严重依赖于几何结构的内应力^［18］。而从激光冲击参数方面还可看出，搭接率对表面残余应力的影响大于激光功率密度和冲击次数。这说明激光冲击强化参数选择时应当优先设计搭接率，进而调整激光功率密度和冲击次数。

图 4. 圆形光斑冲击条件下四种因素下的极值演变规律

Fig. 4. Evolution of range value with four different factors in the round spot peening case

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图5为圆形光斑冲击条件下四种因素在三种不同水平上K值结果，其反映了各参数在不同应力水平上的表面残余应力水平，其数值为同一因素在同一水平上的加和。由图5（a）可知，随着激光冲击强化能量的增加，残余应力在数值上不断减小，可见激光冲击能量的提高对表面残余应力并不一定产生正向作用。图5（b）展示了随着搭接率的增加其表面残余应力数值的变化规律，15%和50%搭接率下表面残余应力的水平相当，而在33%冲击时，其表面残余应力的数值则出现了一定程度的减小。而图5（c）则反映了冲击次数对表面残余应力的影响，在冲击次数由一次增加到三次的过程中，整体上表面残余应力的数值变化不大，且发现冲击次数由二次增加到三次，表面残余应力的数值出现了一定程度的减小。而从图5（d）中则可明显发现随着试样厚度的增加，表面残余应力数值几乎出现了线性增长。基于以上分析认为，L和T向的残余应力数值差异性较小，圆形光斑冲击的最佳激光冲击强化参数为激光功率密度5.30 GW·cm^-2、搭接率50%、2次冲击。

图 5. 圆形光斑冲击四种因素在三种不同水平上K值结果。（a）激光功率密度；（b）搭接率；（c）冲击次数；（d）试样厚度

Fig. 5. Changing of K values at three different levels with regards to four different factors in the round spot peening case. (a) Laser power density; (b) overlapping rate; (c) impact times; (d) specimen thickness

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表7和表8为方形光斑冲击后轧制方向（L向）和宽度方向（T向）的表面残余应力结果。与圆形光斑冲击结果不同的是，方形光斑冲击2号、3号、4号、6号和8号试样的残余应力数值均超过200 MPa，而残余应力数值小于100 MPa的仅有9号试样，这从一定程度上也反映了方形光斑冲击的残余应力的均匀性更好。

同样地，在方形光斑冲击的T向上（表8），表面残余应力数值超过200 MPa的依然是2号、3号、4号和8号试样，6号试样的表面残余应力略小于200 MPa，而应力数值低于100 MPa的也仅为9号试样，与圆形光斑冲击结果不同的是，方形光斑冲击未检测出拉应力，这是因为方形光斑内部激光能量分布均匀，不存在圆形光斑因高斯分布导致的能量不均匀现象，使其峰值等效压力有所减小，因而其诱导的变形会相应地减小。

图6为方形光斑冲击条件下四种因素下的极值演变规律，其结果与圆形光斑（图4）并无明显差异，这再次验证了试样厚度对表面残余应力的影响大于搭接率、激光能量、冲击次数。

图 6. 方形光斑冲击条件下四种因素下的极值演变规律

Fig. 6. Evolution of range value with four different factors in the square spot peening case

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图7为方形光斑冲击条件下四种因素在三种不同水平上K值结果。由图7可知，方形光斑冲击条件下的因素对表面残余应力的影响规律与圆形光斑基本一致。其差异主要存在于K值数值的大小，但K值数值的大小不影响参数选优的过程。因此：从表面L向残余应力结果上最佳激光冲击强化参数应为激光功率密度5.30 GW·cm^-2、搭接率15%、2次冲击；从表面T向残余应力结果上最佳激光冲击强化参数则为激光功率密度5.30 GW·cm^-2、搭接率50%、2次冲击。但实际上由于L向15%和50%冲击其K值差异极小，所以总体上可认为激光功率密度5.30 GW·cm^-2、搭接率50%、2次冲击的效果最佳。

图 7. 方形光斑冲击四种因素在三种不同水平上K值结果。（a）激光功率密度；（b）搭接率；（c）冲击次数；（d）试样厚度

Fig. 7. Changing of K values at three different levels with regards to four different factors in the square spot peening case. (a) Laser power density; (b) overlapping rate; (c) impact times; (d) specimen thickness

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图8为在15 mm厚度试样上采用圆形光斑激光功率密度5.30 GW·cm^-2、搭接率50%、2次冲击的残余应力结果。图中空心方形代表试验测量结果，实心圆形代表平均值，黑色虚线为误差带。由图8可知，冲击后试样表面的残余压应力数值为313.8 MPa，0.1 mm深度上的残余压应力为270.7 MPa，0.3 mm深度上的残余压应力为241.8 MPa，这说明经过正交试验选定的最佳冲击参数获得了高表面幅值，且具有应力梯度分布的残余压应力分布。

图 8. 在激光功率密度5.30 GW·cm^-2、搭接率50%、2次冲击下，圆形光斑的残余应力测试结果

Fig. 8. Residual stress test results of round spot with laser power density of 5.30 GW·cm^-2, overlapping rate of 50%, and peened twice

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3.2　高周疲劳

图9为母材（BM）和圆形光斑激光功率密度5.30 GW·cm^-2、50%搭接率、2次冲击的疲劳试样在260 MPa和200 MPa应力水平下高周疲劳寿命对比图。从图2可以看出，260 MPa应力水平下母材的平均疲劳寿命为24358周次，而激光冲击强化试样的疲劳寿命周次为29668，疲劳寿命提高为22%。而在200 MPa应力水平下，母材的平均疲劳寿命提高到了57932周次，激光冲击强化后的疲劳寿命周次则进一步提高到了94596，强化后的疲劳增益为63%。这说明激光冲击强化后孔疲劳试样获得了良好的疲劳抗力。这是因为激光冲击强化诱导的残余压应力可在拉拉疲劳过程中，减小孔边缘的局部应力大小，从而延长裂纹萌生过程。另外值得关注的是，200 MPa应力水平下的疲劳寿命增益几乎为260 MPa应力水平下的3倍，这说明激光冲击强化获得的疲劳寿命增益在低应力水平更为明显。这是因为在低应力水平下，其局部应力的数值可以降到更低的水平，从而获得更长的疲劳裂纹萌生寿命。

图 9. 在激光功率密度5.30 GW·cm^-2、搭接率50%、2次冲击下，圆形光斑的疲劳寿命结果

Fig. 9. Fatigue lives of round spot with laser power density of 5.30 GW·cm^-2, overlapping rate of 50%, and peened twice

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4　结论

本文通过正交试验方法研究激光冲击强化参数对2050铝锂合金残余应力的影响规律，并基于表面残余应力数值获得了最佳工艺参数，进而探究了其对应的高周疲劳寿命，主要发现如下：

1）圆形光斑和方形光斑激光冲击在2050铝锂合金表面诱导产生了幅值超过300 MPa的残余应力，但随着激光能量、冲击次数、搭接率以及试样厚度的变化，残余应力的数值发生明显的改变，通过正交试验分析可知，试样几何特征对残余应力的影响最大，激光参数中搭接率的影响大于激光能量大于冲击次数。

2）基于正交试验分析获得的圆形光斑和方形光斑最佳工艺参数均为激光功率密度5.30 GW·cm^-2、搭接率50%、冲击2次，该参数冲击后残余应力的表面残余压应力的数值为313.8 MPa，0.3 mm深度上的残余压应力仍可维持在214.8 MPa。

3）采用激光功率密度5.30 GW·cm^-2、搭接率50%、冲击2次后的高周疲劳结果显示，260 MPa应力水平下母材后强化的疲劳寿命分别为29668和29668周次，激光冲击后疲劳寿命提升22%，而在200 MPa下，母材后强化的疲劳寿命分别为57932和94596周次，疲劳寿命提升的幅度进一步提高到63%。