激光喷丸对材料疲劳性能的改善

提升构件疲劳性能是激光喷丸最为重要的用途之一，包括拉 – 拉、拉 – 压、弯曲和扭转疲劳，以及微动疲劳。Kattoura 等采用激光喷丸对 ATI718 合金进行表面处理，并对强化层微观组织和残余应力进行了表征，经试验得出：激光喷丸使试样拉– 拉疲劳性能有了明显改善。Ganesh等研究了激光喷丸对弹簧钢疲劳性能影响，结果表明：激光喷丸使得试样拉 – 压疲劳性能显著提升。Tan等在铝合金试样上预制了不同形状的裂纹，并研究了激光喷丸对疲劳裂纹生长行为的影响，结果表明：激光喷丸引入的深层残余压应力对各种缺口试样疲劳裂纹扩展均有良好抑制作用，是铝合金疲劳防护的有效方法。Kashaev 等采用激光喷丸对 2024 铝合金疲劳裂纹扩展标准试样缺口前端进行处理，引入裂纹开口位移（Crack opening displacement，COD）参数对裂纹尖端有效应力强度因子幅值（Effective stress intensity factor range，ΔKeff）进行了计算 , 结果表明，激光喷丸后试样中存在多处裂纹闭合，裂纹扩展速率明显降低。

Hu 等借鉴了 Kashaev 等的研究方法，对 2024–351 铝合金激光喷丸前后裂纹扩展行为进行了探讨，激光喷丸覆盖初始疲劳裂纹扩展区后，残余压应力深度超过了1mm，若对试样施加小间隙预裂处理（Pre-cracked specimen with LP，PCS-LP），则预裂试样疲劳寿命比未喷丸试样（Asreceived specimen，ARS）和喷丸但未预裂试样（Standard specimen with LP，SS-LP）具有明显提升，如图 4 所示，激光喷丸后裂纹扩展时间较长且扩展速率明显滞后，这主要来自塑性诱发裂纹闭合（Plasticity-induced crack closure，PICC）效应。Srinivasan 等研究了激光喷丸对 TC4 钛合金微动疲劳行为影响，旨在为发动机风扇叶片 – 榫槽微动疲劳损伤提供解决方案，其结果表明：在高、中、低 3 种载荷下，激光喷丸均可有效提升试样微动疲劳性能，其强化作用主要体现在抑制裂纹扩展方面。Liu 等基于裂纹扩展应力强度因子门槛值 ΔKth原理，认为如果激光冲击引入的残余压应力保持稳定，则钛合金微动疲劳强度可从 288MPa 提升至775MPa，但在微动载荷作用下残余应力松弛非常严重。King 等研究了激光冲击榫结构件微动疲劳性能，发现微动区残余压应力从 800MPa 松弛至 300MPa，应力松弛深度达到 0.5mm，随着残余应力松弛程度增加，其对微裂纹扩展的抑制作用越差，相应的微动疲劳寿命降低，因此，残余应力稳定性是保障服役环境下激光冲击强化抗疲劳 / 微动疲劳防护效果的关键。

激光喷丸对材料摩擦磨损性能的改善

激光喷丸带来的表层应变硬化使其成为改善材料耐磨性能的手段之一。Tong 等研究了激光喷丸处理对 TC11 钛合金高温磨损行为的影响，结果显示：激光喷丸使材料表层硬度提升了 28.54%（362.3HV → 465.7HV），并且引入深度为 700μm 左右的残余压应力层；微观组织中出现形变孪晶、位错缠结、位错墙、位错胞等，表层晶粒得到细化；在相同条件下，激光喷丸试样抗磨损性能均优于未处理试样；高温条件下 TC11 合金的主要磨损机制为脱层磨损、黏着磨损和磨料磨损，而激光喷丸能有效降低脱层和磨料磨损，且表面可形成紧密压实的连续摩擦层，避免次表层剧烈塑性变形的产生和次表层裂纹的萌生。Park等对铸造铝硅合金表面进行了激光喷丸处理，并研究了试样摩擦学特性的变化，结果表明：施加激光喷丸后，在 50N、100N 和 150N 的法向压力下，试样摩擦系数分别较原始试样降低了 19%、41% 和 45%（图5），材料磨损损失降低了 94% ；激光喷丸试样的磨屑颗粒比未喷丸试样小得多，且尺寸均匀；激光喷丸造成的表层硬度增加、磨损颗粒的减小和表面粗糙度降低均有益于降低摩擦系数。孙昀杰等对 TC4 医用钛合金进行了不同道次和能量密度的激光喷丸处理，并对其生物摩擦磨损性能进行了研究，结果表明：激光喷丸使试样表面硬度提升 25.7%（296.1HV → 372.1HV），摩擦系数和磨损量均随喷丸能量的增加而降低，磨痕深度和宽度随喷丸能量和道次的增加而减小；原始试样磨损过程中出现大量氧化剥落，其磨损机制为氧化磨损、磨粒磨损和轻微黏着磨损，激光喷丸可有效降低氧化磨损，并显著降低摩擦条件下 TC4 钛合金在医用环境下发生有害碎片剥落和有毒离子渗出的危险性。