1激光冲击强化的基本概念

  激光冲击强化，也称激光喷丸，是利用强激光诱导冲击波来强化金属表面的一种新技术。当短脉冲高峰值功率密度的激光辐射金属表面时，金属表面吸收层吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高压等离子体，该等离子体受到约束层的约束爆炸时产生高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播。在材料表层形成密集、稳定的位错结构的同时，使材料表层产生应变硬化，残留很大的压应力，显著地提高材料的抗疲劳和抗应力腐蚀等性能。

  激光冲击强化的示意图如图1所示。为了提高对激光能量的吸收和防止金属材料表面受到激光的烧蚀，一般在金属材料表面冲击区域涂覆吸收层，目前吸收层一般采用黑漆或铝箔。在吸收层上覆盖约束层，约束层一般采用水或玻璃，约束层阻碍等离子体的膨胀，从而有效提高激光冲击波的峰压值，增宽冲击波的脉宽。

  图1激光冲击强化原理示意图

  2激光冲击强化技术发展路线

  激光冲击强化技术由美国工业材料公司于1972年申请的专利“一种采用高功率密度激光脉冲改变固体材料性能的方法”（US3850698A）中首次提出，其采用高功率脉冲激光诱导的冲击波来改变7075铝合金的显微结构组织以提高其力学性能，该专利开创了采用激光冲击强化材料的新工艺。此后，激光冲击技术的发展陷入沉寂。

  1982年，美国巴特发展公司提出专利申请“一种采用激光冲击强化金属材料裂缝的方法”（EP0085278A1），其采用激光冲击波对金属材料裂缝处进行处理，显著提高了其裂缝处的疲劳寿命以及抗应力腐蚀性能。

  此后，各国纷纷展开了对激光冲击强化技术的研究，有关激光冲击强化技术的专利申请也如雨后春笋般涌现。

  其主要分为两个技术分支：

  （1）激光冲击强化装置的研制，其中高性能激光器的研制是关键。1984年，美国LLNL公司提出专利申请“一种用于激光冲击的钕玻璃激光器”（US5316720A），该钕玻璃激光器具有板条结构，使激光冲击技术得到迅速发展。1998年，美国巴特发展公司提出专利申请“一种采用YAG激光器对金属材料进行激光冲击的方法”（US5987991A），该YAG激光器功率达到千瓦级，在获得高输出功率的同时保证了高光束质量，提高了强化效果。2000年，美国通用电气公司提出专利申请“一种用于激光冲击的二极管泵浦YAG激光器”，（US6296448B1），该激光器功率可达到250KW。

  （2）激光冲击强化工艺的研究，其主要是针对激光冲击强化的金属材料制定合适的激光冲击强化工艺。1997年，美国通用电气公司提出专利申请“一种采用激光冲击强化涡轮叶片的方法”（US5980101A），其通过激光束的数字信号计算机计算时间常数，从而精确控制激光脉冲能量，经强化的叶片疲劳强度可达413MPa。2004年，美国激光冲击技术公司提出专利申请（US2004226637A1），其采用激光冲击波对发动机钛合金损伤叶片进行修复，根据叶片材料特性、厚度和工艺参数的对应关系，确定了叶片各点所需的激光工艺参数。2008年，江苏大学提出专利申请“一种优化双面激光同时冲击合金厚度的方法”（CN103255268A），对薄壁零件进行双面激光冲击，显著提高了强化效果。

  3激光冲击强化重要申请人的技术发展路线

  有关激光冲击强化，由于早期其主要应用于军事领域，所以公开的专利申请量并不大，从总体上看，排名前三位的申请人分别是美国通用电气公司、美国巴特发展公司和中国的江苏大学，其中江苏大学近几年申请数量剧增，对国内激光冲击强化的发展做出了贡献，在此，阐述江苏大学的技术发展路线。

  江苏大学主要从激光冲击强化存在的问题出发，对激光冲击强化金属材料工艺、激光冲击强化装置作了深入研究，其在这方面共有136项专利申请，其中涉及到激光冲击强化金属材料工艺的有104项，涉及到激光冲击强化装置的有86篇，上述专利申请主要集中在2005－2015年之间。

  其2006年提出专利申请“一种利用激光连续冲击强化的方法及装置”（CN1928127A），该专利申请涉及的技术要点是：首先通过将约束介质和涂层结合在一起，使激光冲击强化可以连续进行；其次，通过设置滑块、柔性工作薄膜、垫块、排液活塞等部件，形成流动的液体约束介质层，实现自动更换液体介质约束层。

  其2009年提出专利申请“一种提高材料高温疲劳寿命的强化方法与装置”（CN101629227A），将激光冲击强化技术与低温离子注入处理这两种技术有效结合起来，利用各自的优点来弥补对方的不足，零件材料经过激光冲击强化处理后再对其表面进行离子注入复合处理加工，使其表面形成高幅残余压应力，这样零件材料同时具有高耐磨性、抗蚀性、抗高温氧化性能，且在高温疲劳条件下激光冲击所产生的残余压应力不会大大释放，从而提高零件的高温疲劳寿命。

  2010年，其提出专利申请“一种激光冲击波辅助离子渗入金属基体的方法”（CN101717912A），利用激光将金属基体上方的含有渗入元素的纳米材料柔性贴膜汽化、电离生成需要渗入金属基体的材料的离子，在冲击波的作用下，将离子渗入到金属基体表层，达到改变表层金属的所需元素的含量，并且对表层激光冲击强化，起到改变金属表层元素成分和强化金属表层的双重效果。

  2012年，其提出专利申请“一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置”（CN102560079A），利用高压气体作为约束层，高压气体的压力可以根据实验需要进行设定调节，并控制整个冲击过程中的压力不变，同时，喷嘴的位置能实时调节，确保了高压气体的喷射中心、激光光斑中心和工件预冲击处理位置重合，从而对试样实现单点多次和多点连续冲击。江苏大学重视激光冲击技术的研发，已初步形成其专利布局，但是其研发以激光冲击强化工艺及装置中的具体细节为主，对其中的关键设备、关键工艺步骤的研发较少，一定程度上制约了其发展。

  4小结

  通过以上分析可以看出，激光冲击强化技术相关的核心专利申请人主要是外国企业，由此也可以得知这些企业掌握了该领域的关键技术，但随着国内企业科技的发展和知识产权意识的提高，国内在该领域的申请也在逐渐增多，这也进一步推动了国内在该领域的发展。