纳米|激光冲击喷丸技术的最新进展和新应用(3)( 三 )


为了揭示EP-LSP的基本机制 , Zhang等人将EP-LSP与连续电流辅助LSP(CC-LSP)进行了比较 。 调整电气参数 , 使EP-LSP和CC-LSP的热加热效果相同 。 在一组五种不同的EP-LSP测试中 , 峰值电流密度从EP-LSP1逐渐增加到EP-LSP5 , 并调整频率以确保恒定的热加热效果 。 如图20a所示 , LSP工艺几乎不会改变样品的硬度 , 而CC-LSP和EP-LSP处理显著提高了硬度 。 EP LSP处理的样品比CC LSP处理的样品硬度更高 , 峰值电流密度越高 , 硬化效果越显著 。 此外 , EP-LSP还会导致更深的硬化层 , 如图20b所示 。 脉冲电流可以更有效地降低流动应力 , 从而产生更高的硬化效果和更深的硬化层 。 预计EP-LSP可以带来更好的疲劳性能 , 但这一预测仍需通过实验加以证实 。

图20 a) LSP、CC-LSP和EP-LSP处理的表面硬度和b)深度硬度 。
选择合适的EP参数对于实现最佳EP-LSP效果非常重要 。 不过到目前为止 , 只有Zhang等人的一项研究调查了EP-LSP参数 。 基于本研究 , 峰值电流密度越高的EP电流越好 , 因为较高的峰值电流密度可以更有效地降低Ti64合金的流动应力 。 值得注意的是 , 在这项研究中 , 没有更高的峰值电流密度 。 需要更深入的研究来了解EP参数对EP-LSP结果的影响 。
4.4无涂层激光冲击喷丸
激光冲击焊接的一个主要障碍是需要有一层保护层来防止目标金属的热损伤 。 在处理复杂的几何形状时 , 不能有效地应用保护层 , 这将大大降低LSP的效率 。 LPwC就是为了应对这一挑战而提出的 。 在LPwC中 , 没有吸收层 , 使得低能脉冲激光束直接照射样品 , 导致表面汽化和电离 , 产生等离子体 。 等离子体继续吸收激光能量 , 直到形成冲击波 , 传播到材料中 , 引起微观结构变化和压缩残余应力 。
由于没有吸收层 , 激光束直接照射目标表面 , 会发生表面汽化和熔化 , 从而形成液滴 。 在水流的冷却作用下 , 这些液滴会在表面上重新溶解 , 从而增加表面粗糙度 。 此外 , 表面层在再固化过程中会被氧化 , 并因收缩而导致裂纹的萌生 。 较高的粗糙度、表面氧化和裂纹会降低样品的抗裂性 , 从而降低其疲劳性能 。 使用较低的激光能量(小于0.5?J)可以减轻热损伤 , 降低表面粗糙度 。 Sathyajith等人在AL 6061-T6铝合金的表面下未观察到熔化层或微裂纹 , 证实表面熔化仅影响合金顶面的浅部区域 。 此外 , 尽管表面粗糙度会对疲劳寿命产生负面影响 , 但残余压应力起主导作用 。 Maawad等人证明 , 与SP和USP相比 , LPwC可以产生更深、更稳定的压缩残余应力层 。
LPwC也可用于处理焊缝 。 例如 , Sakino等人证明 , LPwC可以有效地在钢焊接接头周围产生残余压应力 , 并增加其硬度 , 从而显著延长焊缝的疲劳寿命 。 Sano等人证明 , 对于A6061-T6铝合金的LPwC , 搅拌摩擦焊接(FSW)试样比未焊接的试样具有更高的疲劳性能 。 如图21所示 , LPwC将搅拌区附近的拉伸残余应力转换为压缩残余应力 。 由于LPwC处理 , 硬度也会增加 , 从而提高疲劳性能 。 此外 , LPwC处理可以通过诱导压缩残余应力和晶粒细化来延缓敏化SUS304不锈钢中SCC的起始和扩展 。 LPwC还可以通过产生晶相、残余压应力和自由体积的增加来提高金属玻璃的疲劳寿命 。

图21 LSP前后FSW试样中的残余应力 。
【纳米|激光冲击喷丸技术的最新进展和新应用(3)】值得注意的是 , 由于加工过程中热效应引起的晶间腐蚀 , LPwC实际上会降低铁素体不锈钢的疲劳寿命 , 因为疲劳过程中裂纹很容易在晶界形核 。 由于其复杂的物理过程 , 改善LPwC疲劳性能的机制尚未完全阐明 。 然而 , LPwC有其独特的优势;如果使用得当 , 它在某些应用中非常有用(例如 , 修复水下核反应堆容器) 。