当作用在金属材料上的短脉冲（几到几十纳秒）激光功率密度大于109W/cm2时，材料表面吸收层吸收激光能量而产生等离子体，在激光辐照的持续时间内，等离子体层厚度增加，密度增大，温度上升，产生高温（>10000K）、高压（>1GPa）等离子体，该等离子体受到约束层的约束时产生高强度压力冲击波（冲击波的峰值压力可以达到10GPa），作用于材料表面并向材料内部传播。当冲击强度超过材料的动态屈服强度时，就在靶表层形成一个塑性变形层，在冲击波造成的塑性层中存在着残余压应力，其位错密度显著增高，材料的表层就产生应变硬化。由于材料疲劳破坏主要是拉应力的存在，在材料表面存在的残余压应力可以平衡材料使用过程中的拉应力，从而延缓了疲劳裂纹的萌生及扩展速度。由于位错密度的增高，使材料屈服强度提高，并阻碍了位错的运动，从而增大了裂纹产生的阻力。正是由于残余压应力、高密度位错这些因素的综合作用，使材料的抗疲劳寿命得到了延长。这种新型的表面强化技术就是激光冲击处理（Laser shock pro-cessing），由于其强化原理类似喷丸，因此也称作激光喷丸（laser shock peening）。在此冲击波的作用下，材料的力学性能得到明显的改善。
4.4.5.1 激光冲击硬化的特点
激光冲击硬化处理具有以下独特的优点：
1）激光源为高功率脉冲激光。
2）激光冲击硬化处理的能量源是由激光诱导的冲击波，基于冲击波效应。
3）由于激光冲击硬化处理基于光力学效应，不存在热影响区，故可实现重叠处理。
4）可对相变强化效果不显著的材料（如铝等），进行有效强化处理。
5）由于不存在热影响区，可对一些大型金属件在热处理后存在的局部硬度达不到要求的“软点”区域进行有效的修补硬化处理。
6）对表面粗糙度值影响小。
与传统的强化工艺，如喷丸强化、锻打相比，激光冲击强化是一种洁净、无公害的处理方法。由于激光冲击处理的柔性较强，因此可处理工件的圆角、拐角等应力集中部位。
4.4.5.2 激光冲击硬化处理的模型
激光冲击硬化可分为有约束层（confined-plasma）和无约束层（direct ablation）两种类型。有约束层时的模型如图4.4-20所示。激光束透过水或玻璃被吸收层吸收，吸收层部分汽化形成等离子体，由于等离子体被约束在约束层和试样之间，根据理想气体的状态方程，在有约束层时可以比无约束层时获得更高的冲击波峰压，在约束方式下可获得的冲击压力是直接冲击的3～10倍，同时在有约束层时，冲击波持续时间为无约束层时的2～3倍。目前的激光冲击硬化大都采用有约束层方法。
图4.4-20 约束方式下的激光冲击几何模型
1—黑色涂层 2—透镜 3—透明的约束层 4—被处理工件
在冲击硬化处理时，在材料表面预制吸收层（涂层），其作用在于吸收激光的能量产生等离子体，并防止材料表面的熔化和汽化，因此吸收层必须采用低热导率和低汽化热的材料，增加自身吸热并减少对基体材料的热传导。目前较有效的表面涂层材料有铅、锌、铝及黑漆等。
约束层是覆盖在吸收层的表面对激光透明的材料，它的目的在于限制基体汽化，提高脉冲压力，延长作用时间。在激光冲击硬化处理过程中，约束层是决定约束方式的主要因素，目前约束层使用的主要有固态介质和液态介质。固态介质主要分为硬介质和软介质两类。硬介质为光学玻璃等，其对激光有很好的透过率，激光能量的损失较少，它主要的缺点是只适合对平面的表面硬化，且冲击时要产生爆破碎片，难于防护和清理。软介质对非平面表面的冲击处理，可以保证与基体材料的良好贴合，但软介质材料（有机材料）对红外激光吸收率较高，能量损失较大。液态介质水是最经济的约束介质。使用水作为约束介质必须考虑与激光波长的匹配。接近红外波段的长波长，激光很容易被水吸收，而紫外激光又容易致使水击穿，从而达不到约束层的作用。常用的钕玻璃激光器、YAG激光器输出的波长为1.06μm、脉冲宽度为10～50ns脉冲激光可采用水作为约束层，但倍频Nd：YAG激光更适合。水约束分为静水和流水约束两种方式，静水（见图4.4-21c）在吸收层汽化过程中容易受到污染，并且冲击波会使水表面波动，影响下一冲击工艺。流水（见图4.4-21e）在精确处理中要获得平整的介面需要时间，因而激光冲击频率就不可能很高。于是，产生了静水和流水的中间形式。图4.4-21d所示为将工件置于水中，激光从侧面窗口进入，水箱可以使用流水冲掉处理部位污染的水，以免影响下一工序。水和光学玻璃的作用效果有所不同。有研究表明：获得同样表面残余应力极值（350MPa），以水作约束层时需4GW/cm2的功率密度，相当于以玻璃作约束层所需1.7GW/cm2的功率密度。最优冲击压力值为2.5GPa，超过这一数值时，表面残余应力饱和及表面波的影响导致应力值降低。若不使用约束层和吸收层，由金属试件自身产生等离子体，则冲击后的热效应比较明显，容易导致产生一个拉应力区。
图4.4-21 常用激光冲击处理的约束模式
1—强脉冲激光 2—聚焦透镜 3—约束层 4—吸收层 5—金属靶材 6—水箱 7—喷头
4.4.5.3 激光冲击硬化对材料力学性能的影响
激光冲击硬化可显著地提高材料的硬度。硬度提高的机理主要有三方面：
1）在处理后的材料表面中存在的高密度位错是硬度提高的主要原因。
2）冲击后位相的转变（对各种铁基合金），如γ→α相的转变，也是材料硬度提高的一个原因。M.Hallouin对不锈钢激光冲击处理后发现，马氏体的转变使表面硬度提高150%～200%。
3）冲击处理后材料结构的改变，如缠结等也能极大地提高表面硬度。
位相和材料结构改变需要高的冲击波峰压和冲击波持续时间，冲击波峰压对位错的数量有很大影响，同时位错的排列与冲击波持续时间有密切联系。
1.表面残余压应力
大量的研究结果表明，经激光冲击硬化后的材料可以获得-0.6σY的表面残余压应力，影响层范围为1～2mm，对表面粗糙度值影响很小。在激光与材料相互作用过程中，产生残余应力的示意如图4.4-22所示。在激光与材料相互作用时，冲击波在冲击区产生平行于材料表面的拉应力，并使材料发生塑性变形。激光关闭后，由于冲击区周围材料的反作用，将在冲击区中产生压应力。
图4.4-22 残余应力场的形成
2.硬化工艺对材料力学性能的影响(www.xing528.com)
激光在材料表面产生的冲击波的波形和振幅大小决定着冲击硬化的效果，而波形及振幅是由被加热气体的吸热过程控制的，另外，冲击波还受流体动力学过程的影响。这两种影响都会减少冲击波的幅值，也即热传导及吸收材料的汽化热会影响冲击波应力场，特别是降低激光功率密度。
（1）对硬度及强度的影响 冲击硬化处理多采用光开关钕玻璃激光器，功率密度为109W/cm2，脉冲宽度为20～100ns，光斑直径约为1cm。为了提高应力波的峰值，在激光冲击之前，往往在样品上涂黑色涂料后再覆盖约束层，如石英、水或塑料等。这样可以使峰值压力从无约束时的1GPa提高到10GPa。此外，考虑到应力波在材料内传播、反射和叠加作用，往往用两束激光同时冲击样品的两相对表面。
采用YAG激光器（脉冲宽度30～45ns，波长1.06μm，功率密度6.8×108W/cm2）对LY12-CZ铝合金进行冲击硬化处理，冲击范围直径为7～8.5mm，结果铝合金表面硬度值提高了5倍以上。图4.4-23所示为冲击处理前后的位错密度的变化，经定量金相的测定，冲击后的位错密度是未冲击处理的21倍，位错密度的提高使得流变应力增加了4.6倍。
图4.4-23 冲击前后位错密度的变化
a）冲击前（×48000） b）冲击后（×36000）
铝合金激光冲击后强度变化因材料及其状态而异。欠时效状态和过时效状态铝合金经激光冲击处理后都提高了强度。前者最多提高6%，后者提高15%～30%。而峰值时效状态铝合金经激光冲击处理后的强度无变化。
激光与材料的相互作用，引起材料表面发生塑性变形，在材料的表面形成大量的位错，且位错缠结，使得材料表面的流变应力增加，从而提高了材料的表面硬度及强度。
（2）对疲劳强度的影响 冲击硬化的材料表面残余压应力对提高疲劳寿命有很大的影响。2024-T62铝合金在高功率、短脉冲激光冲击硬化处理后，材料表面激光冲击处理区产生了残余压应力，其值约为40MPa。对于一定的最大应力振幅σmax，残余压应力越大，裂纹萌芽所需要的周次Ni增加；疲劳裂纹扩展主要决定于扩展裂纹前沿形成的塑性区和塑性区所吸收的能量。裂纹扩展的速率da/dN如式（4.4-4）所示：
式中，c为常数；σp为塑性区内应力；σyp为屈服强度；σmax为材料在疲劳加载过程中的最大应力；a为裂纹长度的一半。
式（4.4-4）表明了疲劳裂纹扩展速率是随着材料屈服强度的升高而得到降低的，同时当裂纹前沿进入激光冲击区后，与残余压应力相互作用会改变裂纹前沿的形状，从而降低裂纹扩展速率。
另一方面，由于激光冲击的作用将导致材料表面位错密度的急剧增加，并且出现位错缠结结构。在循环载荷作用下，这种位错结构会阻碍金属晶体的滑移和位错的运动，阻止裂尖的锐化和钝化过程，从而起到了降低疲劳裂纹扩展速率的作用。这是激光冲击处理能够降低铝合金疲劳裂纹扩展速率的原因之一。
图4.4-24给出了光学显微镜下激光冲击硬化处理铝合金和未处理的疲劳裂纹扩展路径。从中可以看出，未处理试件的疲劳裂纹接近直线扩展，扩展阻力较小；而激光冲击硬化处理试件的疲劳裂纹扩展路径较曲折，扩展阻力大，这说明激光冲击处理可抑制疲劳裂纹的扩展。
图4.4-24 疲劳裂纹扩展路径
a）未冲击 b）受激光冲击后
4.4.5.4 激光冲击硬化处理的发展
（1）两个主要研究方向 自1970年美国贝尔实验室开始研究激光冲击硬化以来，激光冲击硬化研究主要有两个方向：
1）根据激光参数可划分为小能量、小光斑、短脉冲与高能量、超短脉冲两种类型。
①小能量、小光斑、短脉冲。G.Banas用20mJ的YAG激光器，脉冲宽度为150ps，光斑直径为0.1mm。在马氏体时效钢表面产生1012W/cm2功率密度，并利用脉冲重叠技术覆盖整个处理区。
②高能量、超短脉冲（ps或ns量级）。
2）根据激光与材料的作用模式可分为有约束层和无约束层两种类型。如将功率密度为109W/cm2量级的激光直接辐照在金属材料上，所获得的冲击波峰压小于1GPa，且冲击波对材料的作用时间与激光脉冲相同。有约束层时，可获得数GPa的冲击波峰压。1992年，法国学者M.Gerland等人在没有约束层的情况下对316L（美国牌号）不锈钢进行激光冲击处理，功率密度为3×1011W/cm2，将冲击后的试样与未处理试样进行疲劳对比实验。结果表明，经冲击处理的试样疲劳寿命有所下降。目前，利用小功率激光器、约束层技术冲击处理材料是国内外的主要研究方向。
国内外学者在研究中主要使用水和玻璃作为约束层。Fabbro的研究表明：由于玻璃比水的冲击波阻抗高，因此可获得比水更高的冲击波峰压。水由于操作方便等优点而备受国内外学者的广泛关注。目前进行激光冲击硬化处理总的趋势是功率密度越来越高。在高功率密度下，对激光冲击的各种现象国外研究得很多，如约束层的绝缘击穿等。为提高约束层的绝缘击穿阈值，主要通过倍频技术和降低脉冲持续时间来实现。
（2）目前存在的困难 目前激光冲击硬化的研究仍存在以下难题：
1）激光冲击效果的无损检测。目前，测表面残余压应力主要使用X射线衍射仪，这种方法设备昂贵，需由专业人员操作，只适合实验室使用。
2）新型约束层的选择研究。
3）冲击参数的优化研究。
4）高能量、高频率激光器的研制。
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