材料的主要失效形式有：磨損、腐蝕、疲勞等，一些調查數據顯示：因磨損、腐蝕、疲勞等源于材料表面的失效形式占了80%以上，可見材料表面的結構和性能對材料綜合性能有著至關重要的影響。在載荷的作用下，構件的疲勞斷裂往往源于材料表面產生的裂紋，裂紋的進一步擴展可能導致材料的整體破壞，甚至導致設備故障。
為提高零部件的可靠性，延長材料的使用壽命，在不改變基體材料性能的前提下，表面強化技術與方法得到了廣泛應用，取得了良好的經濟效益。
隨著航空航天、武器、核能、交通等高端設備的發(fā)展，對其零件表面性能要求也越來越高，傳統(tǒng)的噴丸、表面滾壓等強化技術漸漸難以滿足高性能設備的生產要求，而激光沖擊強化技術很好地解決了這些問題。與傳統(tǒng)的表面強化技術相比，激光沖擊強化獲得更深殘余應力層、產生加工硬化、細化晶粒的優(yōu)勢，能夠顯著提高材料的疲勞壽命，在各個領域有著廣泛應用，獲得了越來越多的青睞。
激光沖擊強化(LSP)又名激光噴丸，是一種新型表面強化技術，具有顯著的技術優(yōu)勢，能夠帶來與眾不同的技術解決方案，在工業(yè)界越來越受重視。
激光沖擊強化的基本原理如下圖所示。
圖 激光沖擊強化原理圖
該技術的基本原理為：短脈沖(幾十納秒)、高峰值功率密度(＞109 W/cm2)的激光透過透明約束層(一般采用材料有：流水、有機玻璃等)后作用在工件表面，涂覆在工件表面的吸收涂層(一般采用材料有鋁箔、黑膠帶、黑漆等)吸收激光能量并發(fā)生爆炸性氣化，形成等離子團進一步吸收激光能量，產生溫度t>107℃、壓強P>1 GPa的等離子體；該等離子體在約束層的限制作用下，形成GPa級瞬時高壓等離子體沖擊波，并向工件材料內部傳播；在沖擊波的力學效應作用下，由于沖擊波峰值應力極高，遠超材料的屈服極限，材料表層發(fā)生塑性變形，引起晶格畸變、位錯、位錯交織、位錯墻、晶粒細化等微觀織構變化，產生了平行于材料表面的拉應力；根據力學效應的反作用原理可知，在等離子體沖擊波作用結束后，材料表面將形成一定深度的殘余壓應力層，從而實現(xiàn)對零件的表面強化或精密成型加工，大幅提高金屬材料的耐磨損、抗應力腐蝕和抗疲勞等性能。
激光沖擊強化不同于傳統(tǒng)表面強化技術，其典型的約束層與吸收保護層原理結構可以顯著增加沖擊波壓力，進而對材料進行強化。這種強化方式具有高壓(GPa級)、高能(GW量級)和超高應變率(>106 s-1)的特點。
與傳統(tǒng)的激光切割、激光淬火、激光焊接等利用激光熱效應的激光加工技術不同，激光沖擊強化則是一種利用激光沖擊波力學效應的表面改性技術，在加工過程對工件幾乎沒有熱效應。
因激光沖擊強化技術具有上述優(yōu)勢，近年來發(fā)展迅速，目前主要應用于航空航天與國防軍工領域。隨著該技術的不斷成熟，激光沖擊強化技術在船舶制造業(yè)、核工業(yè)、石油化工行業(yè)、生物醫(yī)療、軌道交通、電網電力等領域展示出了無可比擬的技術優(yōu)勢，擁有著巨大的應用前景和商業(yè)價值。
20世紀60年代，美國科學家發(fā)現(xiàn)了激光誘導沖擊波現(xiàn)象。與此同時，我國的錢臨照先生也發(fā)現(xiàn)了此現(xiàn)象，提出沖擊波有可能對材料作用后使材料位錯密度增加的概念。由于受當時實驗條件和應用背景的影響，激光沖擊強化技術在20世紀70年代才開始得到實際研究，而受到廣泛重視和快速發(fā)展則是上世紀末的事情。五十多年來，該技術取得了巨大進步，技術也日益成熟，帶動了一大批產業(yè)的發(fā)展。
1972年，美國巴特爾學院(BMI)的Fairand等人通過短脈沖、高功率密度激光誘導的沖擊波來改變7075鋁合金的顯微結構組織，發(fā)現(xiàn)經激光沖擊強化試驗后，合金的疲勞壽命與抗應力腐蝕能力得到一定幅度的提高。這是激光沖擊強化實驗研究的首次嘗試，其采取的強化方式屬于無約束層模式，主要用來驗證激光沖擊強化技術的可行性。1977年，BMI的Calaur等人通過在樣品表面使用不同的約束層和涂層材料組合來改變應力波的大小和持續(xù)時間，發(fā)現(xiàn)在有約束層的模式下，沖擊波壓力可以達到GPa級且材料疲勞壽命顯著提高。這種由透明約束層與吸收涂層的組合方式也成為了激光沖擊強化的典型模式。當時由于缺少性能可靠、短脈沖高功率密度的激光器，激光沖擊強化技術未能得到實際應用。1984年，美國勞倫斯∙利弗莫爾國家實驗室(LLNL)成功研制出世界上第一臺具有板條結構的釹玻璃激光器，促進了激光沖擊強化技術的發(fā)展。
20世紀90年代，美國推出針對航空航天發(fā)動機高周疲勞斷裂的“高周疲勞科學與技術”(high cycle fatigue science and technology program)計劃，該計劃旨在提高材料的高周疲勞設計水平，提高飛機的安全性能，該計劃的橫空出世將激光沖擊強化技術由實驗室推向了工業(yè)應用。在該計劃提出后的幾年內，美國成功將激光沖擊強化技術用于增強Ti-6-4、Al2024-762、IN718和Al7075-77351等發(fā)動機合金材料的疲勞壽命。由于激光沖擊強化的效率不高，處理時間較長，無法快速去除噴射涂層。1997年，涂層快速處理系統(tǒng)在美國應運而生，該系統(tǒng)能夠快速地在工件上涂覆吸收涂層和去除涂層。且首先應用在軍用燃氣渦輪發(fā)動機葉片的激光沖擊強化處理，強化效果相當不錯。同年，日本科學家Sano在水浸材料的激光沖擊強化實驗過程中發(fā)現(xiàn)：等離子體在空氣中的膨脹速度約為聲速的20倍，而在水中的膨脹速度僅與聲速相當，這為水作為常用約束層提供了數據依據。
21世紀以來，激光沖擊強化技術取得了更為驚人的進步，其應用領域也不斷擴大，如：汽車關鍵零部件、水輪機葉片、大型汽輪機、石油管道、納米仿生等領域。
2003年，激光沖擊強化技術被用于波音飛機的葉片處理，標志著激光沖擊強化技術開始應用于軍民兩用飛機領域。2007年，日本開發(fā)了微激光沖擊強化(MLSP)技術，成功用于核電站壓力容器的強化處理，極大提高了壓力容器焊縫的抗腐蝕性能。該技術的成功應用，還促進了水下作業(yè)激光器與光纖傳輸技術的發(fā)展。隨著激光沖擊強化工業(yè)化應用水平的不斷提高，一系列技術瓶頸有待突破，除設備價格和運行成本因素外，人們希望開發(fā)可現(xiàn)場操作的便捷設備，在設備出現(xiàn)故障的時候以最快速度解決問題，節(jié)約時間與成本。2012年，美國MIC公司取得重大突破，成功研制出可移動式激光沖擊強化設備，如下圖所示。該設備的誕生，解決了激光沖擊強化現(xiàn)場作業(yè)難題。
圖 可移動式激光沖擊強化設備
為了獲得更好的激光沖擊強化效果，2010年，美國在原有激光沖擊強化技術的基礎上，結合熱力耦合效應在材料表面強化方面的優(yōu)勢，提出溫度輔助的激光沖擊強化技術，即激光溫噴丸(WLP)技術，其工藝原理見下圖。由于目前激光溫噴丸技術應用的理論和背景相對不多，需要科研工作者不斷完善與研究。2017年，美國的Kalentics等用激光沖擊強化技術對選擇性激光熔化(SLM)部件進行相關實驗，提出將SLM和LSP這兩個過程結合起來的“3D LSP”方法，將激光沖擊強化技術推向一個新高度。
圖 激光噴丸原理圖
