前言

激光强化(LP)或激光冲击强化(LSP)是一种表面工程技术，如图1所示，它利用峰值功率密度约为1–10GW/cm2的连续激光脉冲辐照通过水层，在金属和合金表面产生有益的残余压应力(RS)[1]。由于强激光脉冲必然对顶表面造成损伤，因此在进行激光辐照之前需要形成一层烧蚀层来保护表面。这种工艺在20世纪90年代初开始实际应用，例如通过显著改善金属部件的疲劳性能以减少喷气发动机涡轮叶片的异物损伤(FOD)[2]。然而，由于难以形成复杂形状的烧蚀层，其应用范围仅限于近平面表面。

在20世纪90年代中期，一种名为LPwC(无涂层激光强化)的新型材料被发明出来[3, 4]，它不需要使用任何烧蚀层，该材料已经证实在防止疲劳和应力腐蚀开裂(SCC)方面非常有效[5]。LPwC所采用的激光光斑尺寸较小，通常为0.2至1.5mm，因此能够灵活追踪复杂结构[6]。然而，由于激光脉冲辐照后受热表面会发生收缩，因此在应用LPwC的部件顶表面不可避免地会残留拉伸应力[7]。实现LPwC的一个主要挑战在于寻找减轻激光脉冲直接辐照热效应的方法。因此，在LPwC 30年的发展过程中，我们通过降低脉冲能量和缩短脉冲持续时间来减少输入到表面的热量，并增加连续激光脉冲的重叠时间以消除前一个激光脉冲在光斑上产生的张力[4, 8]。在此，我们利用同步辐射详细介绍了激光辐照光斑周围残余应力分布情况，并展示了LPwC如何在表面形成残余压应力[9]。

单脉冲辐照

在973K下对HT1000高强度钢进行3小时的退火处理，随后通过炉内冷却来消除由机加工引起的残余应力，以制备参考试样。经过退火处理后，顶表面的残余应力接近于零(0–50MPa)。接着，在表1所示条件下，采用波长为532nm、脉冲持续时间为7ns的调Q Nd:YAG激光对单个激光脉冲进行辐照。由于峰值功率密度恒定在4GW/cm2左右，因此可以推断所有辐照的等离子体峰值压力相等。

在KEK-PF(高能加速器研究机构光子工厂)的BL3A和SPring-8的BL46XU，利用同步辐射和X射线衍射(XRD)精确测量了激光光斑上的表面残余应力分布。实验详情见[9, 10]。图2显示了试样表面的残余应力分布。横坐标按照激光光斑半径进行归一化，因此激光光斑的边缘位置为零。

这一结果表明，由于激光辐照产生的热效应，辐照光斑处存在着拉伸分量。然而，在辐照光斑外部观察到了压缩分量，这是由于激光脉冲冲量经过泊松效应引起的塑性应变所导致。随着光斑直径的缩小，拉伸分量迅速减弱。据认为，这是由于激光光斑直径减小所产生的三维冷却效应所致，即使激光功率密度保持不变。

线辐照和区域辐照

上一节的结果表明，高重叠率的连续激光脉冲辐照会导致整体表面压缩，但最后一个激光光斑除外[9]。图3显示了单脉冲、线辐照和区域辐照后的表面残余应力状态的示意图。红色区域代表具有张力的激光光斑，而蓝色区域则表示围绕激光光斑形成的压缩区域。通过增加重叠率，残余应力状态将转变为压缩状态。为了证实此假设，我们对JIS SHY685结构钢试样进行了线辐照，其中脉冲能量为215mJ，光斑直径为1.0mm，功率密度达到4GW/cm2。脉冲密度分别为1、5、10和100脉冲/mm，以研究重叠对残余应力的影响[11, 12]。

图4显示了在激光辐照线x方向(激光扫描方向)上的残余应力以及残余应力的测量位置。X射线辐照区域的直径为0.5mm。横轴表示距离最后一个激光辐照点的长度，原点位于激光辐照线末端。通过增加重叠率，可以预期在每毫米达到100个脉冲时，辐照线上的残余应力会减少并且受到压缩。每毫米1个脉冲时，不存在重叠现象，因此在激光脉冲的中心和边缘交替出现几何效应。

为了研究区域辐照(例如LPwC处理)中重叠效应对表面残余应力和深度剖面的影响，我们采用Mn-Kα特征X射线和电解抛光技术，通过XRD测量了具有不同重叠率的SUS304奥氏体不锈钢试样的残余应力深度分布。结果如图5所示。重叠率(Cv)被定义为Cv=(πD2/4)×Nd，其中D是激光光斑直径，Nd是辐照脉冲密度，即单位面积内的激光光斑数量。在参考试样中，经过表面研磨处理，拉伸残留应力的深度可达到0.1mm。激光脉冲的面积辐照会产生残余压应力，并且随着重叠率的增加而逐渐增强。当重叠率较低时，例如100%或200%，顶表面的残余应力改善效果不充分。如图3(右上角)所示，这被认为是由于表面上残留的拉伸分量造成的，而拉伸成分在较小的重叠率下无法完全消除。

粗略地说，表面残余应力是由激光脉冲辐照冲量产生的压缩分量和随后收缩产生的拉伸分量之间的平衡所决定。因此，在保持与等离子体压力直接相关的峰值功率强度不变的前提下，降低脉冲能量和缩短脉冲持续时间(相互作用时间)显得尤为重要。在材料方面，具有较低热膨胀系数(CTE)的表面比具有较高CTE的表面更容易产生压缩[13]。另一个未经研究的参数是热导率，它必然会对LPwC后的表面残余应力产生影响。相较于热导率低的材料(例如奥氏体不锈钢)，具有高热导率的材料(例如铝合金)更易受到压缩。

LPwC的独特应用

LPwC的主要优势之一是适用于内孔等复杂几何形状。我们研发了一种适用于LPwC的铅笔式光度头，如图6(左)所示[14]，并将其应用于管道试样，如图6(右)所示[15]。试样由挤压碳素工具钢棒(JIS SK3)制成，对沿轴线的中心区域进行钻孔，以制作长度为150mm、外径为17mm、内径为9.5mm的管状试样。壁厚为3.75mm。将LPwC应用于长度为50mm的中心部分，其中脉冲能量为70mJ，光斑直径为0.7mm，脉冲密度为100脉冲/mm2，相当于峰值功率密度为4.2GW/cm2，重叠率为3800%。

采用中子衍射评估LPwC对管道试样的影响。在日本原子能研究开发机构(JAEA)的JRR-3(日本研究堆-3)，采用中子衍射仪测量晶格应变。为了准确评估残余应力，必须进行三个方向的应变测量。不过，在本研究中，考虑到可用的机器运转时间，仅测量了贯穿整个管壁的圆周(θ)方向的应变和径向(r)方向的部分应变。图7显示了在经过LPwC之后整个管壁厚度上θ方向的应变分布(εθ)，并与未强化参考试样的应变分布进行了对比。LPwC在距离内表面近1mm的深度上引入了压缩应变。相反，外侧的应变趋向于拉伸，以补偿内表面附近的压缩应变。对经过LPwC处理的试样，在距离内表面0.4和1.9mm处还测量了径向应变(εr)。通过假定平面应力，可以推断出由于LPwC的作用，内表面附近的残余应力为残余压应力，而中间和外侧区域的残余应力为拉伸应力。

结语

为了探究LPwC在无烧蚀层情况下产生残余压应力的机制，我们利用同步辐射精确测量了激光脉冲单次辐照和线辐照后的残余应力分布。结果表明，激光辐照光斑内的残余应力为拉伸应力，然而其周围存在压缩区域。此外，我们还发现通过辐照充分重叠的激光脉冲可以实现对区域辐照内整体表面的压缩。为了证明LPwC的优势，在一根细管的内部进行了LPwC。中子衍射分析非破坏性地证实，LPwC在管道内表面产生了残余压应力。

致谢

本研究部分获得JST-MIRAI计划[资助号：JPMJMI17A1]和MEXT KAKENHI[资助号：JP20K04185]的支持。在光子工厂(PF)BL3A进行的同步辐射实验获得了高能加速器研究机构(KEK，提案号：2003G032和2007G082)光子工厂计划咨询委员会的批准，在SPring-8 BL46XU进行的同步辐射实验获得了日本同步辐射研究所(JASRI，提案号：2003B0678)的批准。在日本研究堆-3(JRR-3)进行的中子衍射实验获得了日本原子能研究开发机构(JAEA)的批准(E4026)。 

参考文献

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[15] Y. Sano et al., “Development and applications of laser peening without coating as a surface enhancement technology”, Photonics North 2006, Proc. of SPIE Vol. 6343 634324.

Yuji Sano, (Ph.D. in Eng.)

Specially-appointed Professor

SANKEN, Osaka University

Mihogaoka 8-1, Ibaraki,

Osaka 567-0047, Japan

邮箱：yuji-sano@sanken.osaka-u.ac.jp

Koich Akita, (Ph.D. in Eng.)

Professor

Department of Mechanical Systems Engineering, Tokyo City University

Tamazutsumi 1-28-1, Setagaya-ku, Tokyo 158-8557, Japan

邮箱：akitak@tcu.ac.jp