激光喷丸、激光冲击强化之透明约束层

激光冲击强化技术也称为激光喷丸技术，是金属表面强化技术的一种，其工艺过程原理可概括为：当短脉冲（几纳秒到几十纳秒）的高峰值功率密度（几到几十GW/cm2量级）的激光辐射金属靶材时，金属表面吸收曾吸收激光能量发生爆炸性气体蒸发，产生高压的等离子体，等离子体受到约束层的约束时产生高强度冲击波，作用于金属表面并向内部传播，当冲击波的峰值压力超过被处理材料的屈服极限时，材料表层产生压缩应变，从而残留很大的压应力，这种压应力对工件服役寿命具有很好的提升效果。

——《激光冲击强化技术》，邹世坤 等，国防工业出版社

约束层对等离子体进行约束，形成高压冲击波，在没有约束层的情况下，等离子体会迅速扩散，将大部分能量释放到靶材周围的自由空间。在等离子体爆炸周围设置一个约束层，冲击波被约束，只向材料内部传播，提高了激光喷丸处理的效率。可以看出，约束层在激光冲击强化技术中占有很重要的地位，直接影响强化效果，约束层的选择一直是该技术的研究热点之一。约束层材料的选择应遵循以下原则：对激光束透明、尽量少的损耗激光能量、容易与工件表面贴合。在激光喷丸研究历史中，K9光学玻璃、石英、有机玻璃、硅胶、合成树脂和水等材料均被当作约束层材料研究过。

玻璃类约束层有点是强度高，对冲击波压力提升效果显著，但这类材料仅适用于平面激光喷丸加工过程，且激光喷丸过程中易碎、难以清理、不适合重复激光喷丸，不利于工业化应用。硅胶和合成树脂类材料与靶材结合力小，且难以重复利用。液态水具有廉价、清洁、重复效果好、可加工曲面等优势，因而成为了激光冲击强化工业化应用最好的约束层材料。

液态介质水相比于一些固体约束层（如K9玻璃，石英等）具有如下优点：

（1）击穿阈值较高，可以允许更高功率密度的激光能量传输到吸收层表面，有利于增强激光诱导冲击波效应；

（2）水为流体，一次冲击波作用后很快就可以获得平整的界面，能够满足多次冲击和搭接冲击处理工艺要求；

（3）水对零件的表面适应性较强，可用于曲面表面强化，而固体介质难以用作曲面约束；

（4）水成本低、施加方便，并容易实现操作自动化。因而，水是一种合适的约束层，具有良好的实际应用价值。

水约束可以分为静水和流水约束两种方式，实验研究发现静水在吸收层汽化过程中容易受到污染形成悬浮微颗粒，增强水对激光能量的吸收，降低水的击穿阈值，基本上无法保证连续冲击处理效果。相反，采用流动的水可以及时排出受污的水，保持水层的清洁，降低发生介质击穿的可能性，保证激光能量的有效利用。