纳米|激光冲击喷丸技术的最新进展和新应用（3）机械|等离子体

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江苏激光联盟导读：
本文综述了残余压应力和晶粒细化对金属材料机械性能的影响，讨论了LSP的最新发展和目前面临的挑战和未来的发展方向。本文为第三部分。
4. LSP的最新发展
4.1热激光冲击喷丸
WLSP结合了动态应变时效(DSA)和动态析出(DP)的作用，通过生成纳米级析出相，可以显著提高某些合金(如AA 7075、4140钢、Ti64)的残余压应力稳定性。在WLSP过程中，目标金属在进行LSP时被加热到较高的温度(通常为150 ~ 300℃) ，由于高温、超高应变率塑性变形，会产生DSA和DP 。注意，由于WLSP中使用的工艺温度较高，水不能再作为约束介质。因此， WLSP采用玻璃或硅油作为约束介质。高温和高密度的DSA引起的位错可以增加成核系数。因此， WLSP后生成的析出相密度远高于常温LSP后的析出相密度，如图18所示。这些析出物通过对位错施加钉扎力，显著提高了AA7075的强度，但塑性没有显著降低。

图18 AA 7075在a) RT-LSP(25?oC 4?GW?cm?2)和b) WLSP(250?oC 4?GW?cm?2)处理后的上表面组织。
在Pan及其同事的一项研究中， Ti64使用WLSP进行处理，使用了电磁感应加热器。为了更好地处理具有复杂几何形状的样品， Inamke等人设计了一种新型双激光系统，并使用它对AA6061-T6和TZM合金的接头进行激光焊接。在加工过程中，使用两束激光同时照射目标上相同的表面位置：一束用于为LSP处理提供脉冲激光，另一束用于将材料加热至高温。与加热板相比，这种双激光系统具有更高的加热效率，可用于加工复杂几何形状的零件。采用双激光系统进行WLSP后，发现焊接的AA6061-T6和TZM合金的抗拉强度和延展性显著提高。
已经证明，在适当的工艺温度（300?°C）， WLSP能够导致更高的缺陷密度、更高的硬度和更深的压缩残余应力层。 Meng等人发现， WLSP处理可以通过晶界的移动和β相的高应变率有效增加Ti6Al4V中α相的体积分数。因此，在由于界面的高体积分数而增加内耗后，阻尼比可以显著增加，从而导致高振动疲劳性能。 Liao等人将后处理热处理与WLSP相结合，以优化微观结构，进一步提高机械性能。

显示AISI 4140碳钢微观结构的TEM图像：（a）LSP样品中的层状位错带，（b）WLSP样品中均匀分布的位错结构，（c）WLSP样品中位错和沉淀的缠结（从主要衍射点拍摄的暗场图像），（d）WLSP（从与沉淀相关的衍射点拍摄的暗场图像）产生的球状沉淀。
为了从根本上了解WLSP后机械性能的改善，利用透射电子显微镜（TEM）研究了加工过程中的微观结构演变。上图比较了LSP和WLSP后碳钢AISI 4140的微观结构。如图a和b所示，位错堆积（也称为剪切带）由LSP产生，而在WLSP样品中观察到更多均匀分布的缠结位错结构。这是由于WLSP诱导的DSA效应，其导致促进的位错增殖和位错/位错相互作用，从而形成高度缠结的位错结构。在WLSP过程中，热能和机械能的结合促进了碳原子的扩散，导致位错核附近形成高浓度的碳原子。这些位错核为纳米沉淀的生成提供了潜在的形核位置。在衍射图（图c）中选择一个主要衍射点拍摄的暗场TEM图像显示了位错和沉淀的纠缠。为了更好地观察沉淀物，通过选择与衍射图案中沉淀物相关的衍射点（如图6d所示），拍摄TEM图像。据观察，由于DA效应， WLSP产生了密度高、直径约为10 nm的球状纳米沉淀。