激光冲击强化 lsp是什么 _生活经验

前言：作为最前沿的高新表面改性技术之一，激光冲击强化(LSP)技术广泛应用于航空工业、石油化工、船舶交通、生物医疗等领域，能够显著提升金属材料的抗疲劳、耐腐蚀及耐磨损能力。
作为LSP系统的核心组成部分，激光光源决定了LSP的工艺效果与应用价值。近年来，激光二极管泵浦全固态激光器 (Diode Pumped Solid State Laser,DPSSL)的蓬勃发展为激光冲击强化用光源的设计研究提供了新的契机。

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LSP技术研究背景2021年，我国的钢材产量达到13.4亿吨，铝合金产量为1068万吨。金属材料始终为人类科学技术的发展与社会的进步提供了广阔的基础支撑。然而在生产实践应用中，金属材料常因疲劳、腐蚀和磨损等因素而产生失效，这严重影响了金属零部件及设备的安全可靠性和使用寿命，因此增加了设备检修费用及使用成本。
诸如美国F101型飞机每飞行二十五小时就必须进行0.127mm最小微裂纹的精细检查，日本福岛核电站中装有核废料的金属容器因顶部腐蚀产生缝隙致使雨水进入，造成了严重危害海洋环境安全的泄漏事故。
理论及实验研究均致表明，金属材料的疲劳、腐蚀及磨损等失效形式都起始于材料表面，因此金属材料表面的结构和性能直接影响到金属材料的综合性能。
在当今的工业生产实践中，人们通常采用深冷轧制、表面滚压、内孔挤压、热化学处理.喷丸等多种表面强化工艺来改善金属表面性能。
此外，被誉为现代制造工业的“未来制造系统共同的加工手段”以及“万能加工工具”的激光技术与喷丸技术相互结合，产生了一种新型的表面处理技术一一激光冲击强化 (Laser Shock Peening/Processing，LSP) 。
如下图所示：

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LSP 技术的基本机理及过程为：当高峰值功率密度(GW/cm2)、窄脉冲(8-30ms)激光辐射在金属靶材表面时，激光束首先穿过透明约束层照射到金属靶材吸收层上，吸收层随即吸收激光能量迅速产生爆炸性气化，并电离形成大量密集的高温高压等离子体团，该等离子体团继续吸收激光能量并急剧升温膨胀，在约束层约束作用下产生瞬时高压高能冲击波并沿金属表面向金属靶材内部传播。
如下图所示：

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当冲击波的峰值压力大于材料的动态屈服强度时，可诱导材料产生塑性变形并在其表层产生平行于材料表面的拉应力。激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力，同时在金属表面形成高密度晶格畸变、位错、李晶和表面纳米化。
残余压应力会有效降低靶材交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而显著抑制金属表面疲劳裂纹萌生及扩展，能够有效延长金属材料的疲劳寿命。LSP通过对金属靶材工件的表面强化，能够显著提升材料的硬度、抗疲劳强度、耐磨损及耐腐蚀能力。
一个典型的LSP系统设备主要包括重频大能量脉冲激光光源、机器人、装备集中控制与监测系统、光路整形及传输组件及约束层供水系统。
如下图所示：

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固定在夹具上的靶材样件通过一个多轴机器人手譬夹持沿相应轨迹运动，光斑搭接等参数均通过机器人编程设计实现。激光光源的输出多为固定不动或随导光臂移动两种形式。
靶材表面涂覆的吸收层材料通常包括黑漆、聚氯乙烯黑胶带、铝箔和铜箔等，其主要作用是增强对激光能量的吸收率，取代靶材表层吸收能量并形成等离子体，同时避免靶材表面出现激光烧灼损伤，从而保持材料的高表面质量。吸收层上覆盖对激光透过的均匀约束层，主要包括水，玻璃，石英等透明物质，其主要作用是限制等离子体的膨胀空间，提高冲击波峰值压力，并延长冲击波的作用时间。
LSP冲击波压力模型及光源设计参数对于约束模式下高能脉冲激光轰击目标靶材表面所产生的冲击波压力的估算，诸多学者都已开展了较为深入的研究，建立了可对冲击压力预测的爆轰波数学模型。
基于激光诱导产生等离子体的力学和热学原理，Fabbro等人提出有约束层激光冲击压力模型能够较为准确地反应冲击压力的变化过程，求解较为简单，在目前的研究中应用较多。
该模型基于以下几点假设：

约束层和金属靶材的声阻抗为常数；
等离子体认为是理想气体；
激光能量在辐照范围内均匀分布，光斑范围内材料表面受热均匀；
因为激光功率密度很高，所以模型中不考虑等离子体的形成时间，且等离子体只轴向膨胀。

如下图所示：

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经以上假设可知冲击波压力的产生可分为激光辐照和等离子体绝热膨胀两个阶段。激光能量被金属靶材和约束层之间的能量吸收层吸收，吸收层经过加热、气化、电离后形成等离子体。
由于约束层的存在，压力立刻增大，打开界面空隙做功，等离子体的压力足以产生冲击波，并分别在金属靶材和约束层中传播，传播速度分别为C1、C2 。在等离子体冲击波的作用下，界面的位移速度分别为u1、u2 。
被吸收的激光能量一部分用来增加界面间等离子体的内能，另一部分用于做功。设（t）为t时刻被吸收层吸收的入射激光的功率密度，则被吸收的激光能量为：

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下图给出了在激光峰值功率密度为 3GW/cm2，激光脉冲强度及相应的冲击波压力分布，可以看出，呈高斯分布的 FWHM(半高宽)为5ns的激光脉冲产生的等离子体压力波持续 15ns后才缓慢衰减，峰值冲击波压力和激光脉冲峰值功率密度的平方根成正比。

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Huguniot弹性极限理论指出，弹性极限(HEL) 与动态屈服强度。之间的关系可用如下公式表述：

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除了上述讨论的脉冲能量、脉宽等参数之外，光斑形状也是激光冲击强化用激光光源的关键参数之一。
圆形光斑和方形光斑是最为常用的两种光斑形状。圆形光斑(a)与方形光斑(b)的激光冲击强化搭接方式及轨迹如图所示：

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LSP光源增益介质选型及Nd:YAG特性激光增益介质是组成激光器系统的三要素之一，高能LSP用固体激光器的增益个质的选取对于光源系统设计至关重要。一般要求增益个质具备优良的光学特性、输出光谱特性及良好的机械性能与热稳定性能。尤其在光学特性方面必须要具有尖锐的荧光谱线，强吸收带和高量子效率。
固体激光器的增益介质通常是由固体基质材料(玻璃、晶体、陶瓷)中掺杂少量稀土元素制备而成。其中，基质材料通常决定了宏观的机械、热、光学以及微观晶格特性，而掺杂元素则因其电荷状态和自由电子结构决定了产生激光跃迁的能级结构。掺杂敏及镜等稀土离子的玻璃、晶体、陶瓷在中红外高能激光器领域均有应用。
结合LSP光源的设计需求分析此类激光增益介质的物化特性，进行LSP用光源的增益介质选型。
用于脉冲大能量激光器设计的掺镜准三能级材料主要为Yb:S-FAP和Y:YAG 。其中Yb:S-FAP晶体虽然具有良好的导热性能，且发射截面适中，可实现较高储能密度的同时不需要高通量提取，但是该晶体存在生长极其困难，难以实现大尺寸这一致命缺点严重制约了其应用及发展。
Y:YAG的吸收和发射截面较高，吸收和发射截面较窄，荧光寿命长，热机械性能良好，可高浓度掺杂，饱和通量高，可获得尺寸较大，目前是重频大能量高平均功率激光光源领域得到重点的研究和应用。
但是常温下，准三能级特性的Yb:YAG存在能级阻塞下能级粒子数较多，闯值较大。仅当处于150K低温以下时，准三能级演变为四能级系统此时下能级几乎没有粒子数，激光阙值变小，且受激发射截面变为室温下的五倍左右。
为保证低温运行条件，高能Yb:YAG激光器系统通常需要一个体积庞大的低温气体产生、贮存输送装置，这极大的增加了系统的复杂性与维护难度。
下图为 Nd:YAG的能级图：

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Nd:YAG为典型的能级系统，基能级为4I11/2能级。在室温下，约有60%的粒子从上能级4F3/2能级跃迁到4I11/2能级，这是占比最大的主要跃迁。其中，从4F3/2 能级的R分量跃迁到4I11/2能级的Y3分量，输出波长为 1064nm 的激光。
根据玻尔兹曼定理，4F3/2能级中的粒子只有约40%在R2分量线上，其余的粒子在R分量上，激光输出仅由 R2上的粒子进行跃迁产生。R2能级上的粒子通过热跃迁补给 R1能级跃迁产生的损耗。
如下图所示：

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Nd:YAG晶体在室温下有5个吸收带，依次分别为530nm、580nm、750nm、810nm、870nm ，每个吸收带带宽约为30nm 。
在吸收光谱的5个吸收带里，810nm处的吸收峰最强，且808nm 附近的吸收带正好与GaAs激光二极管的辐射光谱重叠，因此全固态 Nd:YAG激光器大都选用中心波长为 808nm的GaAs激光二极管进行泵浦。
其中 1064nm 谱线强度比其他谱线要高，很容易抑制其他波长起振。如果没有特殊需求，在设计Nd:YAG激光器时，为获得更大能量的激光输出，大都选择1064nm进行振荡输出。
结语：激光光源作为LSP装备的核心组成部分，直接决定了LSP的工艺效果与应用价值。随着 LSP 工艺水平的进步与生产实践要求的提高，对激光源提出了更多的技术和现实应用要求。一方面传统灯泵浦固体激光器作为LSP光源存在效率较低、能量提升难度较大、圆形输出光斑产生中心残余应力空洞等问题，另一方面大能量LSP装备及光源器件普遍体积庞大、设备精密贵重，可移动性差，很难适用复杂的应用场景。
【激光冲击强化 lsp是什么】针对上述问题，通过开展新一代激光冲击强化用激光源的设计及实验研究，可有效促进 LSP技术、装备到应用的发展，为推动LSP技术从实验研究逐步过渡到工程化应用打下坚实基础。