纳米|激光冲击喷丸技术的最新进展和新应用（3）( 四 ) 机械|等离子体

4.5飞秒激光冲击喷丸
传统的LSP利用纳秒脉冲激光作为能量源，需要一个限制层来增强冲击波强度，并需要一个吸收层来保护目标材料的表面完整性。这些要求限制了该技术的应用范围。虽然许多学者已经证实， LPwC也可以获得良好的强化效果，这种方法也会导致表面氧化和微裂纹，并且容易在表面层上引起热烧蚀。由于高瞬时功率密度和受加热影响的小区域， FLSP可以有效地增强目标材料，而不需要限制层或吸收层。
由于脉冲持续时间较短，飞秒激光脉冲在产生等离子体之前终止。这样，激光束就不会与等离子体发生相互作用，从而提高了能量转换效率。与传统LSP相比， FLSP具有独特的优势。例如，由于其低脉冲能量， FLSP不一定需要烧蚀涂层材料来保护目标样品免受直接激光加热。此外，在某些配置中， FLSP可导致有效的表面硬化。最后， FLSP通常具有较高的精度，因此适用于加工小型甚至微型部件。不可否认， FLSP也有缺点，包括受影响深度和压缩层较浅，更不用说飞秒激光的成本相对较高。
Nakano等人首次使用飞秒激光对304不锈钢进行LSP处理，他们发现在极低能量辐照下（大约几百微焦耳），它可以提高样品的硬度。硬度的增加证明应变硬化发生在表面层，这与传统的纳秒激光冲击产生的效应相似。然而，这些实验是以水流作为限制层进行的。在另一项研究中， Sano等人在没有限制层或吸收层的情况下，通过FLSP处理2024铝，发现与未经处理的样品相比，疲劳性能显著改善。如图22a所示， 304不锈钢的硬度只有在没有水和任何涂层的情况下才能显著提高。这是因为冲击波的传播距离小于涂层的厚度，水将诱导电离并吸收大部分入射激光能量。此外，在没有涂层的空气中进行FLSP处理后，表面粗糙度会增加（图22b），这是可以接受的，因为受飞秒激光热量影响的面积很小。因此，在没有吸收层和限制层的情况下，在许多应用中使用FLSP是可行的。

图22 a）不同加工条件下304不锈钢样品的表面硬度和b）粗糙度测量。
由于迄今为止只有少数研究集中在FLSP上，该过程的许多方面，如在产生等离子体的过程中飞秒激光与金属表面的相互作用机制，以及飞秒激光对材料表面完整性的影响仍不清楚。尽管如此， FLSP由于其独特的优势，在许多应用中具有巨大的潜力。
来源：Recent Developments and Novel Applications of Laser Shock Peening: A Review ， Advanced Engineering Materials doi.org/10.1002/adem.202001216
参考文献：G. Askar'yan E. Moroz Sov. J. Exp. Theor. Phys. 1963 16 1638. ， A. H.Clauer Metals 2019 9 626.