飞秒激光无损冲击强化技术

金属材料的表面强化是工业制造的核心领域之一，通常情况下，金属的失效行为大多与其表面的磨损、腐蚀等现象导致的表面强度大幅降低有关，如航空合金、核反应堆材料、轨道材料等。因此，金属的表面机械强化是提高金属材料使用寿命的有效手段。在众多的金属表面强化工业技术中，激光冲击强化最有发展前景，因其高效稳定与可重复性的特点。传统的高能纳秒激光强化技术通过烧蚀金属表面涂覆层的方式产生高压膨胀等离子体，在金属表面产生冲击强化效果，冲击过程热效应明显，粗糙度大幅增加，极大降低了金属表面的耐腐蚀性。随着现代工业制造的精密化发展趋势，急需一种新型激光强化技术，可以同时实现金属的机械性能强化与高质量加工表面，并且满足金属零部件微型化与结构复杂化的高精度制造需求。

武汉大学工业科学研究院曹强研究员团队采用超低脉冲能量、超高脉冲密度的飞秒激光辐照冲击方式，在不锈钢材料表面实现了线性与非线性机械性质的同时强化（强化程度分别可达18.8%与33.6%），且材料表面粗糙度仅增加一倍左右，在实现表面高精度、低热效应机械强化的同时，保证了良好的表面质量。该工作发表在材料科学领域顶刊《Materials & Design》，“Surface strengthening of stainless steels by nondestructive laser peening”，第一作者为博士生王鹏洁，通讯作者为曹强研究员。

图1 飞秒激光冲击强化实验及机理示意图

如图1所示，该实验采用中心波长1026 nm，脉冲宽度190 fs的飞秒激光，脉冲能量为0.25、0.375、0.5、0.625 μJ，低于激光烧蚀阈值，单位面积的脉冲密度为2，4，6 × 10⁸ mm^-2，在样品表面形成12个不同工艺参数的冲击强化区域。纳米压痕的测量表明，飞秒激光在不锈钢样品表面产生的弹性模量增强程度可达18.8%，而表面硬度的增强达到了33.6%。表面形貌的测量表明，经飞秒激光冲击的区域表面粗糙度不超过原粗糙度的两倍。

双温有限元模型通过分析飞秒激光作用过程中的电子与晶格温度演化，证明了低能量飞秒激光冲击强化不锈钢表面的过程中，样品表面温度始终处于其熔点以下，因此避免了大范围熔化的产生，保证了冲击后的表面质量。双温分子动力学耦合模型揭示了飞秒激光冲击带来的超快压缩应变下铁基晶格模型中的各类缺陷演化与局部残余应力的形成过程，金属的宏观机械性质与微观缺陷的动力学演化机制息息相关，包括位错的大量增殖与相互缠结、空位缺陷及缺陷原子团簇对位错运动的钉扎效应等。

图2 不同的激光冲击强化工艺效果对比

如图2所示，与传统的高能纳秒激光冲击强化工艺相比，飞秒激光强化工艺可以通过调整飞秒脉冲能量与脉冲密度，使加工过程中的金属表面温度处于熔点以下，从而避免了金属表面的大范围熔化与损伤，在达到相同程度的表面机械强化的同时，还保证了高质量的加工表面、更低的热效应与更高的加工精度。飞秒激光无损冲击强化技术在高质量高精度表面制造工业生产中具有良好的应用前景。

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