镍基超合金激光冲击处理引起的表面残余应力的演化机制、分布规律及其控制方法

《Optics & Laser Technology》：Evolution mechanism, distribution pattern and control of surface residual stress induced by laser shock peening for nickel-based superalloy

　　盛向飞|勾江龙|谭慧勇|朱明进|李志

摘要：残余应力孔是一种在激光冲击强化过程中出现在零件表面的局部应力分布状态，它会严重影响残余应力的均匀性，进而削弱激光冲击强化的效果。本文通过从仿真结果中提取不同时间点节点的应力和应变，来捕捉并分析激光诱导的应力波的传播及其相互作用机制。同时，还利用有限元动力学仿真研究了不同激光冲击强化工艺参数对表面残余应力分布的影响，并采用多目标优化方法实现对表面残余应力分布的精确控制。本研究的主要结论如下：1）单点激光冲击强化产生的II型应力波在激光斑中心区域具有强烈的汇聚效应，这是形成残余应力孔的主要原因；2）各工艺参数对平均表面残余应力及残余应力孔综合特征指数K的影响程度排序为：峰值压力>压力脉冲半高全宽>激光斑直径。此外，平均表面残余应力随峰值压力的增加而增大，随压力脉冲半高全宽的增加先增后减；而综合特征指数则随峰值压力和压力脉冲半高全宽的增大而上升；3）通过遗传算法优化的单点激光冲击强化工艺参数为：峰值压力3.44 GPa，激光斑直径4.55毫米，压力脉冲半高全宽8纳秒。在最优参数组合以及50%的激光斑重叠率下，多点激光冲击强化处理后的零件表面获得了幅度较高且分布较为均匀的残余应力场，而且该工艺还具有较高的强化速度。

引言：在激光冲击强化过程中，激光束穿过透明约束层（如水、光学玻璃或柔性聚合物薄膜），照射到零件表面的吸能层（如黑色涂料、胶带或铝箔）。在高能激光的作用下，吸能层会迅速汽化并电离，在激光照射区域内形成高压等离子体。随后，这种等离子体在约束层的限制下快速膨胀，并以冲击应力波的形式在零件内部传播，如图1所示[1][2][3]。在冲击应力波的作用下，经过强化的零件表层材料会在极高的应变率下发生塑性变形，从而形成压缩残余应力场，显著提升零件的疲劳强度和抗应力腐蚀能力。与传统的喷丸强化工艺相比，激光冲击强化具有深度更大的压缩残余应力层、更强的工艺适应性、无需后续处理、环保且节能等优点，已被广泛应用于航空航天、轨道交通、海洋工程、医学、军事、核能等多个领域[4][5][6]。

自20世纪末以来，激光冲击强化技术已被引入工业生产。数十年来，研究人员对其产生的残余应力及其形成机制进行了大量研究。由于金属材料在激光诱导应力波作用下的动态力学响应十分复杂，很难通过实验方法准确捕捉，而有限元仿真则能够低成本地模拟极高应变率条件下的动态力学响应，因此被广泛用于激光冲击强化相关研究。Keller等人[7]、Bikdeloo等人[8]、张等人[9]以及卢等人[10]均采用有限元仿真方法，研究了方形激光斑尺寸、激光冲击次数、冲击能量以及压力脉冲半高全宽等因素对残余应力分布的影响。在其他工艺参数保持不变的情况下，研究结果表明：1）减小激光斑尺寸会显著提高照射区域内的表面压缩残余应力幅值，但应力渗透深度相应降低；2）压缩残余应力的幅值和渗透深度都会随着冲击能量和冲击次数的增加而逐渐增大；3）压力脉冲半高全宽是决定残余应力深度的关键因素，其影响具有统计学显著性。Wang等人的研究[11]中，采用了原位激光冲击强化技术对微纹理工具进行原位强化，经处理的工具使用寿命提升了三倍以上。

在残余应力优化方面，Chupakhin等人[12]采用全因子实验设计方法，研究了包括冲击能量、冲击次数和激光斑直径在内的关键工艺参数对表面压缩残余应力、最大压缩残余应力以及应力渗透深度的影响。Kumar等人[13]则以表面层材料的压缩残余应力及其变形量为优化目标，运用基于田口方法的灰关联分析来优化激光冲击强化工艺参数，包括激光斑直径、压力脉冲半高全宽、激光斑重叠率以及激光功率密度。Li等人[14]整合了赫兹接触理论和诺伊伯定律，建立了用于评估激光冲击强化引起的残余应力的预测模型，该模型能够系统考虑激光功率密度、激光斑直径和激光斑重叠率的变化带来的影响。基于激光冲击强化过程的有限元仿真结果，Ayeb等人[15]结合人工神经网络和自适应神经模糊推理系统，构建了一个可用于预测和优化Ti-6Al-4V涡轮叶片薄边区域因激光冲击强化而产生的残余应力、塑性应变及损伤的模型。Elsheikh等人[16]则采用改进的随机向量函数链接网络算法来预测聚甲基丙烯酸甲酯板材在CO2激光切割过程中的切缝质量指标，并借助均衡优化器选择该算法参数的最优值，进一步提升预测精度。

根据疲劳裂纹的产生机制，零件在使用过程中，材料内部的介观屈服临界应力要高于表面应力，前者大约是后者的2倍。此外，零件表面存在大量的冶金缺陷和制造缺陷，容易产生应力集中现象[17]。因此，在交变机械载荷和循环热载荷的共同作用下，应力集中区域首先会出现微观损伤，进而逐渐发展成危险区域。激光冲击强化产生的表面压缩残余应力能够有效抵消零件使用过程中产生的拉应力，提高表面材料发生介观屈服的临界应力，进一步提升零件在正常使用状态下的可靠性。

残余应力孔现象最早是在[18]中报道的，指的是激光斑中心区域的压缩应力幅值低于周围区域，甚至可能变为拉应力，如图2所示。残余应力孔会显著影响零件表面残余应力分布的均匀性，从而削弱激光冲击强化的效果[19]。Li等人[20]和Mylavarapu等人[21]的研究表明，激光冲击产生的应力波会对残余应力孔的形成产生重要影响。Tajyar等人[22]进一步指出，当峰值压力超过零件材料的胡戈尼奥特弹性极限的2.5倍时，弹性波和塑性波之间复杂的相互作用会导致表面压缩残余应力显著降低。为了减轻残余应力孔对激光冲击强化效果的负面影响，Zhou等人[23]、Lu等人[24]、Yang等人[25]以及Abhishek等人[26]系统研究了包括冲击能量及其空间分布、冲击次数、激光斑直径以及激光斑阵列模式在内的激光冲击强化工艺参数对残余应力孔形成和演变的影响。不过，上述研究仅依据沿特定路径的残余应力分布曲线形状来评估残余应力孔，未能对其分布进行定量描述。

上述研究为后续关于激光冲击强化引起的残余应力的研究提供了有益参考。本文以镍基超合金作为研究对象，因为这类合金具有优异的抗氧化性、疲劳强度和耐腐蚀性，已被广泛应用于航空航天、石油、核能等领域。本研究通过有限元动力学仿真分析和多目标优化方法，捕捉激光冲击强化产生的应力波的传播过程并分析其相互作用机制，同时旨在分析和调控零件表面残余应力分布。本文的研究成果可为激光冲击强化的工程应用提供理论参考。

章节节选：

几何模型与约束条件：如图3所示，针对单点激光冲击强化过程建立了平面对称的四分之一有限元模型，而对于多点激光冲击强化过程则构建了全尺寸模型。有限元模型的几何尺寸见表1。为获得更准确的仿真结果，对模型表面层（厚度为1毫米）进行了细化处理，每个细化元素的尺寸约为0.08毫米（长度）×0.08毫米（宽度）×0.05毫米。

激光冲击强化产生的应力波的传播与相互作用机制：如图7所示，在激光照射区域及其周边可以观察到应力幅值呈交替变化的应力环，这些应力环源自激光冲击加载和卸载过程中产生的应力扰动。位于激光斑边界外的应力环被定义为I型应力波，如图8所示，它们以直径不断增大的方式向模型边界传播；而位于激光斑内部的应力环则……

结论：本文的主要结论如下：(1) 通过与实验结果的对比，证明本研究建立的有限元模型具有很高的可靠性；(2) II型应力波在激光斑中心区域具有强烈的汇聚效应，这些应力波引发的应力波动幅值甚至超过了被冲击材料的胡戈尼奥特弹性极限，从而导致该区域材料发生双向屈服。

作者贡献说明：盛向飞：撰写——初稿、方法论、实验研究、正式分析、数据整理。勾江龙：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、软件应用、正式分析、数据整理。谭慧勇：方法论、实验研究、正式分析、数据整理。朱明进：软件应用、数据整理。李志：撰写——初稿、方法论、数据整理。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号51575117）以及湖南省自然科学基金（项目编号2019JJ50519）的支持。