干式激光喷丸：在大气条件下无牺牲覆盖层的情况下利用飞秒激光脉冲的新型激光喷丸技术
简介
激光喷丸或激光冲击喷丸强化是一种表面修饰技术，它采用激光驱动的冲击压缩来改善金属的性能，如硬度、残余应力、疲劳性能和耐腐蚀性。目前，航空航天、汽车、医疗和核工业中采用纳秒脉冲激光器作为激光喷丸工具。由纳秒激光脉冲辐照的固体材料通过液体转变成气体或等离子体，同时发生体积膨胀。在表面膨胀期间，冲击波成为一种反冲力被驱动并传播到材料中。
通过冲击波引起材料的塑性变形促成了喷丸强化效果。在使用具有近红外波长(~1.05μm)的激光脉冲的情况下，材料的表面需要用保护涂层或黑色涂料或铝箔胶带等牺牲层覆盖，以防止表面熔化或持续受到激光脉冲的损坏。
激光处理后，需要除去剩余的涂层。通过优化工艺条件，开发出无涂层工艺的激光喷丸，这种工艺使用532nm波长激光器，并已应用于核工业的实际应用。然而，表面需要用水等透明介质覆盖以抑制等离子体膨胀并产生足以在两种波长下使材料产生塑性变形的高振幅冲击波。尽管已经开发了使用355nm较短波长和数十纳秒脉冲宽度的微激光冲击喷丸强化工艺来抑制热损伤，但是该工艺也需要使用涂层和水。
在没有使用等离子体约束层覆盖表面的情况下，纳秒激光工艺不会产生足够的冲击波。如果不要等离子体约束层，激光喷丸的适用性将明显增加，但是对于纳秒激光工艺而言，这种技术从未实现过。
如果飞秒激光脉冲的强度相当于每单位时间和单位面积的能量并且与电场强度的平方成正比，那么即使在低能量下这种强度也非常高，因为脉冲宽度非常短。因此，用飞秒激光脉冲直接辐照固体表面可驱动传播到固体中的强烈冲击波。这种由在大气条件下辐射的飞秒激光脉冲驱动的冲击波使材料发生塑性变形，产生淬火亚稳态高压相[1,2]或形成高密度的位错[3-6]。由飞秒激光脉冲形成的热影响和熔化区域因其极短的脉冲宽度而远小于由纳秒激光脉冲形成的区域。因此，可认为在大气条件下无牺牲覆盖层的情况下，可以使用飞秒激光脉冲进行喷丸强化[7]。
材料
本研究中使用的材料是沉淀硬化的2024铝合金，它是航空航天工业中商用铝合金。观察表形态并测量其机械性能，如硬度、残余应力和疲劳性能，以评价喷丸处理效果。除了使用2024-T3铝合金的疲劳试验外，本研究中使用了2024-T351铝合金。2024-T351和2024-T3合金的弹性极限应力分别为321MPa和334MPa。要使用激光脉冲辐照的试样表面在20%硫酸-甲醇电解质中进行30秒的电抛光以除去加工应变层。
干式激光喷丸处理
图1简述了使用飞秒激光脉冲进行干式激光喷丸处理的实验装置。如图1(a)所示，在x-y阶段，安装尺寸为10x10x10mm3的2024-T351铝合金试样。使用焦距为70mm的平凸透镜聚焦波长为800nm、脉冲宽度为120fs的飞秒激光脉冲（Spectra-PhysicsInc.，Spitfire），并在空气中垂直于试样的电抛光表面进行辐照。在喷丸实验之前，研究由单脉冲飞秒激光蚀刻的深度与脉冲能量的函数关系，以选择喷丸条件。使用激光显微镜测量在固定位置处通过飞秒激光辐照形成的凹坑深度。每次脉冲的移除深度以凹坑深度除以辐照脉冲的数量进行估算。对于喷丸处理，铝试样在激光辐照期间向x-和y-方向上移动，如图1(b)所示。覆盖率Cv，以Cv=πD2NP /4表示，其中，D是激光脉冲辐照的光斑直径，Np是每单位平方的脉冲数。
通过改变x-方向上的移动速度和y-方向的脉冲间距离来改变Np。
表面形态、硬度和残余应力
使用扫描电子显微镜(SEM，HITACHI S-3000H)观察干式激光喷丸处理的铝合金的表面形态。干式激光喷丸处理后的表面上的残余应力使用70.300GPa的杨氏模量通过CrKαX射线的Al(311)衍射峰(2.2897Å)估算，泊松比为0.345。通过电解抛光连续除去表面的薄层，以获得残余应力的深度分布。使用纳米压痕系统(ELIONIX ENT-1100a)测量横截面的硬度，施加的负荷为1mN。在纳米压痕测试之前，通过5keV Ar离子束(JEOL SM-09010)抛光横截面以去除加工硬化层。
图2显示了2024-T3铝合金的干式干式激光喷丸处理图1简述了使用飞秒激光脉冲进行干式激光喷丸处理的实验装置。如图1(a)所示，在x-y阶段，安装尺寸为0x10x10mm3的2024-T351铝合金试样。使用焦距为70mm的平凸透镜聚焦波长为800nm、脉冲宽度为120fs的飞秒激光脉冲（Spectra-PhysicsInc.，Spitfire），并在空气中垂直于试样的电抛光表面进行辐照条件。使用激光显微镜测量在固定位置处通过飞秒激光辐照形成的凹坑深度。每次脉冲的移除深度以凹坑深度除以辐照脉冲的数量进行估算。对于喷丸处理，铝试样在激光辐照期间向x-和y-方向上移动，如图1(b)所示。覆盖率Cv，以Cv=πD2NP /4 表示，其中，D是激光脉冲辐照的光斑直径，Np是每单位平方的脉冲数。通过改变x-方向上的移动速度和y-方向的脉冲间距离来改变Np。
图2显示了2024-T3铝合金的干式激光喷丸表面的SEM图像。没有观察到液滴，表明飞秒激光处理产生了可忽略的小熔融层。表面粗糙度Ra为1.2μm，这远远低于纳秒激光喷丸表面以及喷丸处理表面的表面粗糙度。
图3显示了沿x-方向的残余应力x，和y-方向的残余应力y，而硬度与距离表面的深度成函数关系。约100μm范围内的表面区域在x-和y-方向具有压缩残余应力，其中6μm深度的最大值约为300MPa，这与2024-T3铝合金0.2%的弹性极限应力几乎相同。距离具有最高压缩残余应力的表面6μm以内的区域对应于硬化程度最高的区域。硬度的最大值几乎是硬度为2.0GPa的未加工铝合金的两倍，这表明局部加工硬化或塑性变形会产生压缩残余应力。
疲劳性能2024-T3铝合金疲劳试样的形状和尺寸如图1(c)所示。试样的厚度为3mm。顶部和底部表面均以和2024-T351试样相同的方式进行镜面磨光。对两个表面进行干式激光喷丸处理。图1(d)所示为干式激光喷丸处理后的疲劳试验试样照片。平面弯曲试验的执行条件为：1400次/分钟的循环速度，在室温空气中，保持恒定的应变幅度，应力比R=-1。
使用600μJ的脉冲能量和2768％的覆盖率对图1(c)中所示疲劳试验试样的两个表面进行喷丸处理。飞秒激光喷丸处理的2024-T3铝合金和基材的应力幅值与疲劳破坏循环次数之间的关系如图4所示。与应力幅值为195MPa的基材相比，疲劳寿命提高了38倍之多。喷丸处理试样在2x106次循环的疲劳强度比基材高58MPa。
结语
在没有牺牲覆盖层(如保护涂层和水)作为等离子体约束层的情况下通过使用飞秒激光脉冲的干式激光喷丸处理空气中的2024铝合金改善了铝合金的疲劳性能。
在600μJ的脉冲能量和2768％的覆盖率条件下，与应力幅值为195MPa的基材相比，疲劳寿命提高了38倍之多。喷丸处理试样在2x106次循环的疲劳强度比基材高58MPa。表面区域的硬化深度达到几十微米。表面区域产生的压缩残余应力几乎等于2024铝合金0.2%的弹性极限应力。压缩残余应力层的厚度为约100μm。干式激光喷丸处理工艺具有很大的潜力，可应用于不能使用常规喷丸处理方法的各种领域，因为该工艺可在各环境条件下执行，无需使用等离子体约束层(水或透明材料)。例如，纳米或微型机电系统的微型装置可以通过飞秒激光脉冲进行喷丸处理，因为脉冲产生的热影响区范围是纳米级到微米级的。另外，该工艺在理论上可以在真空中执行，因为在真空和空气中驱动时，两者之间的冲击压力没有显著差异，因此该方法可在太空使用。
作者：
Tomokazu Sano, Associate Professor
Division of Materials and
Manufacturing Science
Graduate School of Engineering
Osaka University
2-1 Yamada-Oka, Suita,
Osaka 565-0871, JAPAN
邮箱：sano@mapse.eng.osaka-u.ac.jp
