复合能场激光强化技术及应用知多少？

激光喷丸强化是一种新型的材料表面强化技术，具有高压、高能、超快和超高应变率等常规加工方法无法比拟的优点，在新材料、新工艺、新装备等高技术领域前景广阔。该技术利用激光冲击波诱导材料发生塑性变形，在金属材料表层形成高幅残余压应力和细晶组织，显著提高其综合性能和服役寿命。

针对航空发动机重要组件叶片在服役过程中承受着较高的离心力、气动力等引起的振动载荷作用，极易产生疲劳失效，甚至断裂的问题，开展深冷激光喷丸强化航空钛合金TC6振动疲劳性能研究。

本研究旨在观察低温激光喷丸（CLP）过程中低温和超高应变率变形的协同作用对TC6钛合金力学性能和显微组织演变的影响。实验结果表明，低温激光喷丸可以显著提高高温条件下TC6钛合金的强度、延展性以及稳定性。同时，低温激光喷丸能够提供比室温激光喷丸更高的表面显微硬度，经过低温激光喷丸处理的试样表面显微硬度比未经低温激光喷丸处理的试样提高了4.86%；低温激光喷丸可以产生更细化的晶粒和更高密度的位错结构，并且在表层中还观察到大量的亚晶粒和机械孪晶。

未经处理的试样的微观结构相对粗糙且不均匀，而晶粒细化发生在室温和低温激光喷丸后。EBSD的分析结果表明，未经处理的试样的平均晶粒尺寸为4.51μm，而通过室温激光喷丸和低温激光喷丸处理的试样表面层上的平均晶粒尺寸分别为3.28μm和2.56μm。

图2.激光冲击强化示意图

同时，在低温激光喷丸过程中，低温环境下体积收缩效应引起的塑性变形促进了位错的扩散。同时，超低温可以显著抑制位错的动态响应，抑制其滑动和湮灭，使晶格能够容纳更高密度的位错结构，有效提高TC6钛合金的强度和硬度。

汽车大型覆盖件模具是汽车的关键工艺装备。其中，拉延筋是冲压模具的关键零部件，拉延筋表面失效将直接影响模具服役寿命和板料成型质量。由于覆盖件模具型腔结构复杂，从而使拉延筋不同部位表面及同一部位不同方向的材料流动特性、载荷条件、应力应变、破坏形式等方面存在差异，从而对材料强化提出了新的要求。 

目前，主要采用的是整体火焰淬火和镶块炉内淬火两种热处理工艺，但这些工艺存在模具生产、研发周期和制造成本且无法调控应力载荷集中区域的深入强化等问题，迫切需要拉延筋整体性能提升稳定高效、应力载荷集中区域深入强化的梯度强化工艺。

因此，笔者团队开展了整体淬火/局部冲击激光强化工艺研究，能有效改善拉延筋表面耐磨性和服役寿命。通过激光冲击强化改善激光淬火过程中产生的残余应力状况和微观组织不均匀的情况。

图3.汽车覆盖件冲压模具

结果表明，激光淬火-喷丸复合强化后，试样的显微硬度和残余应力进一步提高。与UT试样相比，LQ试样含有的奥氏体和马氏体要少得多，但它们仍然存在更多的残余奥氏体。与LQ试样相比，LQ-LSP试样的残余奥氏体含量略有降低。结果表明，激光喷丸强化可以进一步将激光淬火层的残余奥氏体相转变为马氏体。

图4.激光喷丸强化前后组织含量变化

同时，激光冲击改善了材料的残余应力状况，促进组织晶粒的进一步细化，晶粒细化导致更多的晶界，使材料更难塑性变形，从而提高材料抵抗塑性变形的能力，提高了材料的纳米硬度和弹性模量，以及耐磨性。

安全舒适、节能减排、降本增效是汽车制造现代化的主要方向，安全指的是有足够的刚度与强度；舒适表示良好的动-静态舒适性；轻量化则与结构、工艺及选材息息相关。座椅作为重要的安全部件，骨架是座椅的基础结构，而焊接是主要的连接工艺。低合金高强度钢具有比强度大、加工性能好及延韧性高等优点，成为座椅骨架等汽车轻量化的关键材料。

图5.低合金高强度钢具有比强度大、加工性能好及延韧性高等优点，成为座椅骨架等汽车轻量化的关键材料。

从焊接手段看，传统弧焊技术难以满足行业背景下对连接结构的性能要求，接头质量难以得到保证。薄壁件低合金高强钢的焊接问题尤为突出：气孔率高、应力与变形严重、热影响区软化等缺陷，从而会导致强韧性下降。同时，一系列后处理手段如人工热处理（增加成本，能耗高）、时效处理（生产效率和成品率低）、机械处理（性能稳定性差，成品率低）和化学处理（材质有局限，易脱落）等均存在不同程度的缺点。鉴于此，需要研发更先进的加工技术。

图6.激光焊接接头缺陷

激光喷丸强化是一种很有前景的表面强化技术，可以有效提高材料的力学性能。笔者团队开展了激光喷丸强化焊后处理研究，分析激光喷丸组织-应力复合强化机制及接头强韧性的调控机理，以实现高强韧高质量的焊接接头。结果表明，激光喷丸强化能有效细化焊接接头的显微组织，接头各区域的显微硬度增加，强度和冲击韧性也得到提高。

从接头各区域的微观组织可以发现，随着激光喷丸的功率密度增加，冲击波诱导的压力峰值越大，材料表层的晶粒细化程度越显著。

图7.不同区域下激光冲击焊接件微观组织对比(从左至右：焊缝，热影响区，母材区）

未处理试样表面为焊接拉应力，经激光喷丸处理后为残余压应力，比未处理的接头试样分别提高了2.53倍、2.49倍和2.62倍。激光喷丸诱导的残余压应力沿着深度方向逐渐减小，残余应力场的最大深度达到600μm左右，并且焊缝残余拉应力转化为有益的残余压应力。

冲击断口的纤维区占比面积随激光功率密度的增大而增大，这是由于激光喷丸处理在热影响区深度方向产生应力抑制了裂纹的萌生与扩展，而激光喷丸的功率密度过大会导致厚度薄的接头产生扭曲塑性变形。

激光喷丸后，在不同功率条件下，试件的抗拉强度分别提高了1.7%、4.2%、4.6%，断口有明显的塑性变形与颈缩特征，纤维区面积随激光功率密度增加而变大，与其延伸率结果趋势相一致，这说明激光喷丸诱导材料表层发生的晶粒细化与晶界有效防止拉伸过程中新位错的滑动。

图8.不同激光功率密度下拉伸断口形貌

浙江泵阀产业近几年发展速度较为迅猛。潜油电泵具有大排量举升优势，在油田开发及保持增产稳产过程中发挥重要作用。其关键零件叶轮的轮毂和下裙部因材质较软在含有微颗粒、腐蚀介质的高流速井液的冲刷下易出现腐蚀、冲蚀磨损失效。

因此，激光熔覆是修复受损零件的有效方法。基于激光熔覆耐磨耐蚀涂层和激光冲击组织性能调控的研究思路，笔者团队开展了叶轮表面激光熔覆-冲击制备复合涂层工艺及性能研究，提高其服役寿命。同时，系统研究了多次激光冲击喷丸处理对复合涂层显微组织、显微硬度、残余应力、耐磨性和耐腐蚀性的影响。 

图9.潜油电泵叶轮磨损腐蚀失效

针对激光熔覆涂层中可能存在组织性能不均匀、残余拉应力和微裂纹等问题，通过激光喷丸可以进一步细化晶粒组织和改善残余应力状态，进而增强涂层的综合性能。

随着激光喷丸次数的增加，涂层的抗变形能力和硬度逐渐增大，磨损表面划痕数量和表面粗糙度逐渐减小，摩擦系数和磨损率逐渐降低，耐磨性得到了进一步的改善。

图10.磨损形貌

激光喷丸增加了涂层微观组织的致密性，进而提高了涂层的抗侵蚀能力，宏观表现为涂层的容抗弧半径和自腐蚀电位得到了进一步的提升，自腐蚀电流密度持续减小，表明激光喷丸强化有效地改善了涂层的耐腐蚀性。

汽车座椅骨架是汽车座椅的核心零部件和基础组成部分。随着板料强度的提高，在车椅骨架冲压过程中，成形模具长期处于循环载荷冲击、与材料相互摩擦挤压的工况，凹模型面易产生磨损、裂纹等损伤，继而影响正常的生产进程。因此，亟需开发理想的表面工程技术修复，以延长模具的服役寿命。

表. 常用的模具表面工程技术

笔者团队开展了激光熔覆和激光重熔复合技术研究，观察激光重熔对复合涂层显微组织、显微硬度、耐磨性和抗冲击性的影响；制备出耐磨性能和耐冲击性能优良的涂层，延长模具的使用寿命。

图11.涂层设计模型 

激光重熔（LR）类似于激光熔覆工艺，两者的区别在于LR只产生激光，不添加任何额外的材料。LR不仅可以改善基材或涂层的表面质量，还可以使材料表层的宏观形态和微观结构组成发生某些变化，减少或消除涂层内的裂纹和孔隙率等缺陷，有效地提高了原始工件在使用中的性能并延长了使用寿命。

结果表明，激光重熔不会导致复合涂层产生新相。重熔复合镀层中Ni/WC层显微组织更加致密、细化，激光重熔的冲击深度约为2.0mm。由于成分相差不大，基体与涂层之间以及每种涂层之间表现出良好的冶金结合，且具有良好的整体结构生长特性。激光重熔处理后涂层微观结构更致密，晶粒尺寸减小。

激光重熔后涂层中的Ni625层Ni、Fe和C元素含量增加，Cr、Mo和Nb元素含量降低。Ni60/25%WC层的Ni和Fe元素含量增加，Cr、C和W元素含量降低。表明LR使元素在涂层内部扩散更强烈，元素分布更均匀，可以避免元素偏析对涂层的不利影响。

由于复合涂层中Ni/WC层的内部结构在激光重熔过程中重熔固化，形成更精细的微观结构，进而提高了涂层的显微硬度和耐磨性。L_Red铬镍铁合金625- Ni/WC复合涂层的平均摩擦系数和磨损率最低，比LR前降低了5.38%和50.12%。

图12.L_Red铬镍铁合金625- Ni/WC复合涂层的平均摩擦系数（左）和磨损率（右）最低，比LR前降低了5.38%和50.12%。

激光重熔使涂层内部微观结构更加致密均匀分布，有助于提高其抗冲击性，分别比基材和Inconel625-Ni/WC复合涂层提高了96.13%和44.625%。

展望未来，复合强化技术路线与能场特性、工艺环境、性能指标、科研目标、工程目标等密切关联，未来期待能涌现更多更丰富的复合强化技术路径。同时，重大需求牵引，科研兴趣驱动，复合强化在航空航天、轨道交通、海洋工程、工业生产等领域具有广阔的工程应用价值。