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第 9 卷 - 2021 年 6 月刊
使用超短激光脉冲进行激光冲击冲击强化
图1：实验装置示意图
表1：用于实验试验的参数
图2：表面的SEM图像(插图中的放大图像显示出纳米波纹结构)
图3：显示7980%高覆盖率下点蚀损伤的SEM图像
图4：(a)飞秒冲击强化试样的横截面图像；(b)冲击强化边缘附近的微结构；(c)基区微结构
图5：在不同覆盖条件下处理的试样的表面微硬度
图6：不同飞秒激光冲击强化条件下的表面残余应力
图7：不同覆盖度下试件残余应力沿深度的变化
1.简介
激光冲击强化利用激光诱导的冲击波来改善表面完整性并提高组件的疲劳寿命。当前的激光冲击强化系统大多采用具有高脉冲能量的纳秒(ns)脉冲激光来诱导压缩冲击波。这些激光系统重复率(1-5 Hz)较慢，消耗功率较高，且需要保护层和水覆盖层以在冲击强化处理期间限制等离子体[1]，因此该工艺大部分被应用于高价值组件，例如飞机发动机、翼面和核能船，在这些组件中的实施成本可以证明其效益。在汽车、医疗和制造业的通用应用中，快速、低能冲击强化工艺具有巨大商机。
由于超短脉冲激光与材料的相互作用时间极短[2]，即使在低脉冲能量下也具有高功率密度，因此它可以在材料中产生强冲击波，而无需任何约束介质。由于超短脉冲的脉冲持续时间短，与纳秒脉冲激光相比，热诱导效应也是最小的[3]；此外，超短脉冲激光器以高重复频率(103-106 Hz)工作，这使得该工艺过程比纳秒脉冲激光器(1-10 Hz)更快。例如，频率为10 kHz、光斑尺寸为0.1 mm的飞秒脉冲激光比频率为4 Hz、光斑尺寸为3 mm的纳秒脉冲激光达到相同区域的速度大约快2.8倍；因此，超短脉冲激光可能是快速和有效进行组件冲击强化处理的理想选择。
本文介绍了不同覆盖度下飞秒(fs)激光冲击强化对钢表面完整性影响的研究结果，旨在了解未来设计高效超短激光冲击强化系统的基本机理。
2.实验方法
本研究采用AISI 420马氏体不锈钢试样。用波长为800 nm、脉宽为50 fs、重复率为1 kHz的Coherent Libra Ti:sapphire飞秒激光系统进行飞秒激光冲击强化试验。实验装置示意图如图1所示。所有实验均在空气中进行，不使用任何保护性覆盖物和限制介质。通过多次扫描整个表面的激光束点来改变覆盖度(表1)。用先进的显微镜法、硬度压痕法和X射线衍射法(残余应力法)对冲击强化表面进行了分析。
3.结果与分析
图2示出了飞秒激光冲击强化后试样的典型表面。扫描线指示由于飞秒激光治疗引起的表面烧蚀。这可能是由于冲击强化过程中的峰值功率密度高于钢的烧蚀阈值[4]。冲击强化表面的放大图像(图2的插图)显示整个表面都存在表面纳米波纹结构。这些纳米波纹结构是由于超短激光脉冲与表面等离子体激元的相互作用而形成的[5]。在高覆盖度下，也可以在表面上观察到一些微坑，如图3所示。这些凹坑必须是由于多次照射消融期间的孵育效应形成的，这导致损伤累积[6]。这表明在冲击强化过程中，低覆盖度可能更有利于获得光滑的表面。
对飞秒激光冲击强化表面的横截面观察显示，通过烧蚀去除了一些材料(图4a)。钢在冲击强化表面附近和基底区域的微结构如图4b和4c所示。基底微结构由铁素体基体中随机分布的碳化物组成。激光冲击强化边缘似乎经历了快速相变，导致马氏体相的形成，而碳化物仍未溶解在基体中，这可能是由于飞秒激光束的相互作用时间较短。
图5比较了不同覆盖因子下的飞秒激光冲击强化表面的硬度。可以观察到，在冲击强化处理之后，与原始表面相比，表面硬度增加。这表明在激光冲击强化后应进行微结构细化。结果表明，表面硬度与覆盖因子成正比，在7853%的高覆盖度下，达到约229 HV的最大硬度；然而，由于不确定性因素高达±10 HV，因此增量似乎不太显著。
表面残余应力测量结果如图6所示。初始表面的拉伸残余应力约为+16 MPa。在覆盖度为981%的条件下进行飞秒激光冲击强化处理后，应力状态变为压缩状态，应力值约为-23 MPa。覆盖度的进一步增加使得压缩残余应力的大小降低。有趣的是，当覆盖率为3927%(即C3)时，残余应力变得完全拉伸。当覆盖度达到7853%(即C4)时，拉伸残余应力达到+23 MPa。
与钢的屈服应力(约304 MPa)相比，测量的残余应力非常低。这可能是由于在激光-材料相互作用期间表面附近存在其他现象。为了测量次表面区域的飞秒冲击强化的影响，测量了沿深度的不同位置处的残余应力(图7)。可以看出，在所有情况下，最大残余压应力都发生在次表面区域，深度约为5-25 μm。表面附近的尖锐应力梯度表明微结构转变在决定表面附近残余应力状态中起主导作用。
可进一步探讨这种变化的细节(再结晶、位错密度、相变等)，以了解其机制。此外，冲击强化效应沿深度迅速消散，并且在超出表面100 μm范围内几乎没有观察到效应。还应当指出，覆盖因子的增加并没有增加影响的深度。相反，覆盖因子越高，次表面区域的最大残余压应力就越缓和。
4.讨论
当飞秒激光脉冲照射表面时，来自激光束的能量通过反轫致辐射过程被表面自由电子吸收[7]并产生直接烧蚀。材料去除在材料中产生反冲冲击波。正是这种后坐冲击波引起了材料中的压缩残余应力。另一方面，也存在其他竞争机制。来自飞秒激光脉冲的能量也在表面产生一些热效应。快速加热和冷却引起淬火应力，这在本质上是拉伸的。此外，在钢表面可能发生马氏体转变，产生压缩残余应力，而在飞秒激光加工期间也可能发生各种表面机制，例如纳米纹波结构、氧化和丝化[8]。这导致材料中的拉伸残余应力，因此残余应力状态取决于所有这些因素的影响。
在我们的实验中，对于981%相对低覆盖度下的飞秒激光冲击强化，热效应和表面效应主要是由冲击波和马氏体相变引起的有利压缩应力。随着覆盖度的增加，表面可利用的较高流畅性导致较高的热应力和表面效应，从而减小了表面和次表面区域的压缩残余应力的大小。在更高覆盖度下，热效应更占主导地位，因此在表面记录到拉伸残余应力；然而，热效应不能穿透材料中较高的深度，因此在次表面发现了压缩残余应力，尽管其大小较小。结果表明，对于选定的参数范围，981%的低覆盖率达到了最佳效果。
因此，研究表明飞秒激光的冲击强化效应取决于多种因素的组合。避免热效应和表面效应的技术应该可以提高飞秒激光冲击强化的效率。
5.结语
本研究评估了激光冲击强化强化钢表面完整性的可行性。结果表明，飞秒激光对钢表面有明显的冲击强化强化作用；然而，由于测得的最大残余压应力约为-80 MPa，影响深度约为100 μm，因此其大小和影响深度小于常规工艺。
材料残余应力状态由四个主要因素的综合作用决定：(1)材料烧蚀(压缩)引起的后坐冲击波；(2)由于快速加热和冷却(拉伸)而引起的热淬火；(3)马氏体相变(压缩)；以及(4)表面效应，例如纳米纹波结构和氧化(拉伸)。钢上存在拉伸残余应力和压缩残余应力，这取决于上述任一因素的主导作用。相对较低覆盖度的激光冲击强化处理促进了冲击波效应和相变，导致整体压缩应力。相反，高覆盖度的冲击强化处理增加了产生总拉伸应力的热和表面效应。正在进行进一步的研究，以获得更高的冲击强化效果，并最大限度降低飞秒激光-材料相互作用的有害影响。
参考文献
1.C. S. Montross, T. Wei, L. Ye, G. Clark, and Y.-W. Mai, Int. J. Fatigue 24, 1021 (2002).
2.M. S. Brown and C. B. Arnold, Laser Precis. Microfabr. 135, 91 (2010).
3.R. Le Harzic, N. Huot, E. Audouard, C. Jonin, P. Laporte, S. Valette, A. Fraczkiewicz, and R. Fortunier, Appl. Phys. Lett. 80, 3886 (2002).
4.N. Maharjan, W. Zhou, and Y. Zhou, Surf. Rev. Lett. 26, 1850227 (2019).
5.J. Bonse, S. Höhm, S. V Kirner, A. Rosenfeld, and J. Krüger, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 23, 1 (2017).
6.N. Maharjan, W. Zhou, Y. Zhou, and Y. Guan, Appl. Phys. A 124, 519 (2018).
7.S. Nolte, C. Momma, H. Jacobs, A. Tünnermann, B. N. Chichkov, B. Wellegehausen, and H. Welling, JOSA B 14, 2716 (1997).
8.F. Pickhardt, J. S. Hoppius, and E. L. Gurevich, Procedia CIRP 74, 320 (2018).
aAdvanced Remanufacturing and Technology Centre, #01/01, CleanTech Two, 3 CleanTech Loop, 637143, Singapore
bDepartment of Electrical and Computer Engineering, National University of Singapore, 4 Engineering Drive 3, 117576, Singapore
cBeijing University of Technology, Institute of Laser Engineering, 100 Ping Le Yuan, Chaoyang District, Beijing 100124, China
*Corresponding author
电话：+65.6430.8428
邮箱：maharjan_niroj@artc.a-star.edu.sg
