江苏大学顶刊综述：4万字60幅图！激光冲击强化技术发展、挑战和趋势

2023-08-15 13:55:43 作者：材料基来源：材料基分享至：

航空制造业被誉为“工业之花”，其制造能力是国家核心竞争力，疲劳破坏是制约航空复杂构件寿命和安全性的重要因素。激光冲击强化（Laser shock peening, LSP）是极端条件下的表面剧烈塑性变形方法之一，具有高压、高能、超快及超高应变率四大显著特点，通过激光诱导的冲击波在金属材料表层产生更深的残余压应力场，形成梯度纳米结构，从而提升材料的抗腐蚀和疲劳性能。美国使用激光冲击强化后航空发动机HCF故障率从53.9%下降至7%，大幅度提高了战斗机的安全性。目前，LSP广泛应用于航空航天、轨道交通、海洋工程、核电等领域。

近日，机械制造领域顶刊International Journal of Machine Tools and Manufacture发表了教育部长江学者特聘教授、江苏大学鲁金忠教授课题组的长篇综述“Progressive developments, challenges and future trends in laser shock peening of metallic materials and alloys: A comprehensive review”。该综述全面介绍了过去二十年金属材料LSP诱导的微观结构演变规律、残余应力变化、力学性能和腐蚀性能的影响，总结了金属材料力学性能与LSP工艺参数之间的关系模型，首次完整地提出并形成了三种晶体结构（FCC、HCP和BCC）、四种类型晶粒细化（原位纳米化）机制。此外，论文介绍了近年发展起来的能场辅助LSP技术、冲击波新工艺，以及典型工程应用。最后，对LSP技术在多能场制造、柔性制造、智能制造和成型等方面面临挑战和未来趋势进行了分析和展望。

全文共60页，4万余字，综合大图60幅，349篇参考文献，是目前有关激光冲击强化理论、技术及应用篇幅最长、涵盖内容最广、基于团队近二十年研究工作及相关课题组特色工作综述而成，

形成了如下重要结论：

(1)与传统的表面严重塑性变形技术相比，LSP是一种新型、前景广阔、无损的表面塑性变形技术，在金属和合金表层能产生超过1mm深的残余压应力场，形成梯度纳米结构，通过剧烈塑性变形的裂纹闭合效应，有效抑制表面裂纹萌生和微裂纹的扩展。

(2)系统地呈现了面心立方、六方密排和体心立方（FCC、HCP和BCC）三种晶体结构金属的LSP诱导的位错运动、孪晶交叉、马氏体相变等为主的原始粗晶细化过程，在此基础上，首次提出了三种晶体结构四种类型的晶粒细化（纳米化）机制。

(3)利用温度场、电场、力场等辅助能量场的优势，发展了新型能量场辅助LSP技术，例如复合LSP技术(X-LSP)、组合LSP技术（X+LSP或LSP+X），以及集成LSP技术（3D-LSP）。

(4)未来10-20年LSP技术面临挑战和未来趋势主要体现在：①能场辅助LSP理论及技术；②柔性LSP制造及成型工艺；③数字化或智能LSP技术及装备；④新型材料激光冲击波微观响应；⑤考虑LSP的全生命周期设计制造技术。

(5)尽管LSP技术在航空航天、核电等领域有典型的工程应用，但其应用的广度和深度需进一步推进，其高效、稳定、可靠性以及智能化还需进一步探索和加强。未来，LSP理论和技术的快速发展会更大范围、更大规模地促进其商业价值，成为激光先进制造技术中不可或缺的重要组成部分。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104061