摘要
激光冲击强化作为一种新型表面改性技术，利用超高能量密度纳秒脉冲激光产生等离子体冲击波，使得材料表面发生塑性变形，形成位错强化和孪晶强化。目前高能量密度激光主要为反射镜硬光路传输，限制了应用环境和操作空间。光纤作为一种柔性介质，有效降低激光能量传输中损耗、增大激光加工自由度，解决了激光的可达性问题，对特殊环境远距离传输激光冲击强化的应用奠定了理论基础。 本文采用光纤传输低能量纳秒脉冲激光冲击技术，对316L不锈钢进行不同工艺参数的冲击表面改性。研究了激光冲击工艺参数对材料表面特征和微观组织的影响，通过分子动力学模拟分析了激光冲击过程中微观组织演变规律，并对冲击试样进行了力学性能和耐腐蚀性能评价与机理分析。 激光冲击后材料表面粗糙度增加，晶粒内产生形变孪晶、位错塞积和堆垛层错。随能量增加表面粗糙度增大，高能量冲击促进微观组织演变，冲击次数对粗糙度影响较小，脉冲密度增加导致表面粗糙度降低。工艺参数变化对表面能影响趋势与粗糙度一致，影响表面能的主要因素是粗糙度。随冲击次数和脉冲密度增加，单向形变孪晶转为多向孪晶，孪晶变得粗大且密度增大，位错发生缠绕形成位错墙和位错胞，增强位错强化和孪晶强化。激光能量变化是影响微观组织演变的主导因素。 分子动力学分析不锈钢冲击过程冲击波传播和组织演变。冲击波压力低于材料雨贡纽弹性极限(HEL)为弹性波，对组织无影响；反之，弹性波与塑性波同在，塑性波占主导地位，原子排列出现层错。晶界能够降低材料HEL。塑性变形引起位错形核和滑移，Shockley位错增殖、缠结，增大变形阻力。冲击压力增大，单滑移转为多滑移，促进晶界区域以位错为主的塑性变形和晶粒滑动，形成位错环、梯杆位错和Hirth阻塞，晶粒通过孪生方式发生变形，有效提高奥氏体不锈钢强度。 激光冲击会明显改善材料硬度、强度和耐磨性。激光能量增加使得材料表面氧化磨损转变为磨粒磨损；冲击次数增加导致工件硬化层深度和表面硬度先增高后降低，3次冲击效果最明显，表面硬度提高30HV，硬化深度达到700μm，拉伸性能提升16.1%。脉冲密度增大会显著提高硬化层深度，对耐磨性改善最为明显。激光冲击可以降低材料腐蚀倾向，提高表面耐腐蚀能力，原始表面对耐蚀性改善低于抛光表面。随脉冲密度增加，不锈钢耐蚀性先提升后平稳，点蚀坑数量减少，位错密度和孪晶增殖促进钝化膜产生，增强不锈钢在NaCl溶液中的抗腐蚀性能。
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