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背景简介

激光冲击强化（LSP）通过激光冲击作用在材料表面引入非均匀塑性变形，从而在表面形成显著的压缩残余应力，在疲劳和腐蚀环境下能够有效抑制裂纹的萌生与扩展。与传统的喷丸处理相比，LSP的疲劳性能提升主要归因于其更优的表面光洁度，表现为更低的表面粗糙度和缺陷密度。近年来，飞秒激光冲击强化技术作为一种新兴的LSP技术，逐渐受到关注。在飞秒激光作用下，光仅与金属中的电子相互作用，导致电子温度与离子温度的非平衡，进而在材料表面产生极高的压力（高达100 GPa）。而且与纳秒激光相比，飞秒激光无需额外的保护层或特定环境条件，且处理后的表面光洁度更优。为了对飞秒LSP强化后的表面性质进行分析，需要沿深度方向产生的残余应力进行测试，然而传统的连续抛光方法由于去除层厚度较大，难以对LSP后材料的微观结构进行精确的空间描述。为此，本研究利用同步辐射光源进行微衍射实验，对LSP过程中产生的位错残余应力和应变能进行了高空间分辨率分析。

成果介绍

（1）在如图1a所示的试验台进行微衍射实验，样品厚度为1 mm。图1b显示了采用10 J/cm²能量密度的飞秒LSP处理的样品的(422)衍射峰，对应深度为z=0、12和40 μm。较宽的峰对应于表面，表明缺陷密度更高和/或相干域尺寸更小。在表面下方12 μm处，峰呈不对称的形状，这是由位错结构的极化引起的，这会导致Ⅲ型微观残余应力产生。对位错密度进行评估，发现采用20 J/cm²能量密度进行飞秒LSP处理得到1 μm深度的位错密度最大，而在30 J/cm²时降低，这表明金属对飞秒LSP辐照的反应与粗糙度变化类似，如图1c所示。通过修正的Williamson-Hall图对应变能进行了计算，发现除30 J/cm²条件下，其他能量密度下的最大应变能都位于表面（z=0），如图1d所示。位错形成的深度与能量密度相关，对于更高的通量更大，达到约40 μm的最大值。

图1 (a) 飞秒LSP实验装置的示意图；(b) LSP处理后表面以下不同深度位置的衍射峰；(c) 从实验中获得并通过Meyers模型估计的1 μm深度的位错密度；(d) 冲击表面下方应变能的演变

（2）由于喷丸几何形状的圆柱对称性，假设了双轴应力状态，通过应变计算了残余应力，如图2所示。压缩残余应力在所有样品中均被发现，最大值位于表面以下，相应的深度（分别为6、12、20和2 μm）随着辐照能量密度的增加而增加，而F=30 J/cm²时除外。采用LAMMPS软件与描述激光-金属相互作用的FEMTO3D软件包耦合，将分子动力学（MD）与双温度模型（TTM）耦合进行了数值模拟。图3a显示了能量密度分别为2 J/cm²和30 J/cm²时，温度随时间和空间的变化趋势。当能量密度为30 J/cm²时，最高温度出现在近表面区域，且温度超过了在30 GPa压力下约2500 K的铝熔点。这一现象表明发生了局部熔化，也解释了在该条件下表面位置的应变能并非最高的原因。而图3b显示了压力随时间和空间的变化趋势，表明压缩冲击波的形成，该冲击波传播速度超过铝中的声速。

图2 不同辐照能量密度下的应力分布

图3 描述能量密度F=2 J/cm²和F=30 J/cm²时的 (a) 温度和 (b) 压力的时空分布的MD结果

（3）图4a展示了在1 μm深度处的压力演变（以连续线表示），表明压力达到最大值的时间随辐照能量密度的增加而缩短，且压力曲线的上升部分变得更加陡峭。此外，压力的衰减速度与其最大值密切相关：最大值越高，压力的降低所需时间越长。图4b则展示了铝的12个滑移系统上的最大剪切应力的相对差异约为12%，这一结果与均匀位错生成的假设高度一致。然而，在较高能量密度下观察到的较低位错密度可能与高温波前引发的位错恢复有关，这一现象在当前模型中尚未考虑。通过实验与模拟的对比分析，发现最大应力的深度与最高应变能量的深度并不一致，且获得最高残余应力的最佳能量通量低于产生最高位错密度所需的通量。飞秒激光喷丸的残余应力深度分布与纳秒激光喷丸或传统喷丸处理的结果相似，但其诱导残余应力的有效深度范围更短。因此，这种工艺对于毫米级的小型部件可能具有独特的优势和应用前景。

图4 (a) TTM-MD模拟得到的压力与状态方程计算得到的压力之间的在1 μm 深度的比较；(b) )在1 μm深度铝<110>{111}的12个滑移系上的剪切应力随时间的变化，F=10 J/cm²

致谢

这项工作得到了法国国家研究署（ANR）的资助，编号为EUR MANUTECH SLEIGHT-ANR-17-EURE-0026。本文第一作者为Lucas Rousseau（University of Lyon），通讯作者为András Borbély（University of Lyon）。

本期小编 王永杰（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

董乃健（发布）