1激光沖擊強化的基本概念

    激光沖擊強化，也稱激光噴丸，是利用強激光誘導(dǎo)沖擊波來強化金屬表面的一種新技術(shù)。當(dāng)短脈沖高峰值功率密度的激光輻射金屬表面時，金屬表面吸收層吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓等離子體，該等離子體受到約束層的約束爆炸時產(chǎn)生高壓沖擊波，作用于金屬表面并向內(nèi)部傳播。在材料表層形成密集、穩(wěn)定的位錯結(jié)構(gòu)的同時，使材料表層產(chǎn)生應(yīng)變硬化，殘留很大的壓應(yīng)力，顯著地提高材料的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕等性能。

    激光沖擊強化的示意圖如圖1所示。為了提高對激光能量的吸收和防止金屬材料表面受到激光的燒蝕，一般在金屬材料表面沖擊區(qū)域涂覆吸收層，目前吸收層一般采用黑漆或鋁箔。在吸收層上覆蓋約束層，約束層一般采用水或玻璃，約束層阻礙等離子體的膨脹，從而有效提高激光沖擊波的峰壓值，增寬沖擊波的脈寬。

    圖1激光沖擊強化原理示意圖

    2激光沖擊強化技術(shù)發(fā)展路線

    激光沖擊強化技術(shù)由美國工業(yè)材料公司于1972年申請的專利“一種采用高功率密度激光脈沖改變固體材料性能的方法”（US3850698A）中首次提出，其采用高功率脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波來改變7075鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)組織以提高其力學(xué)性能，該專利開創(chuàng)了采用激光沖擊強化材料的新工藝。此后，激光沖擊技術(shù)的發(fā)展陷入沉寂。

    1982年，美國巴特發(fā)展公司提出專利申請“一種采用激光沖擊強化金屬材料裂縫的方法”（EP0085278A1），其采用激光沖擊波對金屬材料裂縫處進行處理，顯著提高了其裂縫處的疲勞壽命以及抗應(yīng)力腐蝕性能。

    此后，各國紛紛展開了對激光沖擊強化技術(shù)的研究，有關(guān)激光沖擊強化技術(shù)的專利申請也如雨后春筍般涌現(xiàn)。

    其主要分為兩個技術(shù)分支：

    （1）激光沖擊強化裝置的研制，其中高性能激光器的研制是關(guān)鍵。1984年，美國LLNL公司提出專利申請“一種用于激光沖擊的釹玻璃激光器”（US5316720A），該釹玻璃激光器具有板條結(jié)構(gòu)，使激光沖擊技術(shù)得到迅速發(fā)展。1998年，美國巴特發(fā)展公司提出專利申請“一種采用YAG激光器對金屬材料進行激光沖擊的方法”（US5987991A），該YAG激光器功率達到千瓦級，在獲得高輸出功率的同時保證了高光束質(zhì)量，提高了強化效果。2000年，美國通用電氣公司提出專利申請“一種用于激光沖擊的二極管泵浦YAG激光器”，（US6296448B1），該激光器功率可達到250KW。

    （2）激光沖擊強化工藝的研究，其主要是針對激光沖擊強化的金屬材料制定合適的激光沖擊強化工藝。1997年，美國通用電氣公司提出專利申請“一種采用激光沖擊強化渦輪葉片的方法”（US5980101A），其通過激光束的數(shù)字信號計算機計算時間常數(shù)，從而精確控制激光脈沖能量，經(jīng)強化的葉片疲勞強度可達413MPa。2004年，美國激光沖擊技術(shù)公司提出專利申請（US2004226637A1），其采用激光沖擊波對發(fā)動機鈦合金損傷葉片進行修復(fù)，根據(jù)葉片材料特性、厚度和工藝參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，確定了葉片各點所需的激光工藝參數(shù)。2008年，江蘇大學(xué)提出專利申請“一種優(yōu)化雙面激光同時沖擊合金厚度的方法”（CN103255268A），對薄壁零件進行雙面激光沖擊，顯著提高了強化效果。

    3激光沖擊強化重要申請人的技術(shù)發(fā)展路線

    有關(guān)激光沖擊強化，由于早期其主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，所以公開的專利申請量并不大，從總體上看，排名前三位的申請人分別是美國通用電氣公司、美國巴特發(fā)展公司和中國的江蘇大學(xué)，其中江蘇大學(xué)近幾年申請數(shù)量劇增，對國內(nèi)激光沖擊強化的發(fā)展做出了貢獻，在此，闡述江蘇大學(xué)的技術(shù)發(fā)展路線。

    江蘇大學(xué)主要從激光沖擊強化存在的問題出發(fā)，對激光沖擊強化金屬材料工藝、激光沖擊強化裝置作了深入研究，其在這方面共有136項專利申請，其中涉及到激光沖擊強化金屬材料工藝的有104項，涉及到激光沖擊強化裝置的有86篇，上述專利申請主要集中在2005－2015年之間。

    其2006年提出專利申請“一種利用激光連續(xù)沖擊強化的方法及裝置”（CN1928127A），該專利申請涉及的技術(shù)要點是：首先通過將約束介質(zhì)和涂層結(jié)合在一起，使激光沖擊強化可以連續(xù)進行；其次，通過設(shè)置滑塊、柔性工作薄膜、墊塊、排液活塞等部件，形成流動的液體約束介質(zhì)層，實現(xiàn)自動更換液體介質(zhì)約束層。

    其2009年提出專利申請“一種提高材料高溫疲勞壽命的強化方法與裝置”（CN101629227A），將激光沖擊強化技術(shù)與低溫離子注入處理這兩種技術(shù)有效結(jié)合起來，利用各自的優(yōu)點來彌補對方的不足，零件材料經(jīng)過激光沖擊強化處理后再對其表面進行離子注入復(fù)合處理加工，使其表面形成高幅殘余壓應(yīng)力，這樣零件材料同時具有高耐磨性、抗蝕性、抗高溫氧化性能，且在高溫疲勞條件下激光沖擊所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力不會大大釋放，從而提高零件的高溫疲勞壽命。

    2010年，其提出專利申請“一種激光沖擊波輔助離子滲入金屬基體的方法”（CN101717912A），利用激光將金屬基體上方的含有滲入元素的納米材料柔性貼膜汽化、電離生成需要滲入金屬基體的材料的離子，在沖擊波的作用下，將離子滲入到金屬基體表層，達到改變表層金屬的所需元素的含量，并且對表層激光沖擊強化，起到改變金屬表層元素成分和強化金屬表層的雙重效果。

    2012年，其提出專利申請“一種以高壓氣體為約束層的激光沖擊強化方法及其裝置”（CN102560079A），利用高壓氣體作為約束層，高壓氣體的壓力可以根據(jù)實驗需要進行設(shè)定調(diào)節(jié)，并控制整個沖擊過程中的壓力不變，同時，噴嘴的位置能實時調(diào)節(jié)，確保了高壓氣體的噴射中心、激光光斑中心和工件預(yù)沖擊處理位置重合，從而對試樣實現(xiàn)單點多次和多點連續(xù)沖擊。江蘇大學(xué)重視激光沖擊技術(shù)的研發(fā)，已初步形成其專利布局，但是其研發(fā)以激光沖擊強化工藝及裝置中的具體細節(jié)為主，對其中的關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵工藝步驟的研發(fā)較少，一定程度上制約了其發(fā)展。

    4小結(jié)

    通過以上分析可以看出，激光沖擊強化技術(shù)相關(guān)的核心專利申請人主要是外國企業(yè)，由此也可以得知這些企業(yè)掌握了該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，但隨著國內(nèi)企業(yè)科技的發(fā)展和知識產(chǎn)權(quán)意識的提高，國內(nèi)在該領(lǐng)域的申請也在逐漸增多，這也進一步推動了國內(nèi)在該領(lǐng)域的發(fā)展。