激光沖擊強化技術(shù)的發(fā)展

20世紀70年代初，美國巴特爾學(xué)院（Battelle Memorial Institute）的B.P. Fairand 等人首次采用高功率脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波來改變7075 鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)組織，以提高其機械性能，從此揭開了用激光沖擊強化應(yīng)用研究的序幕。

20世紀90年代，激光沖擊強化技術(shù)得到了大力開發(fā)與快速發(fā)展，被美國軍方和工業(yè)界陸續(xù)應(yīng)用一些典型的戰(zhàn)斗機/ 轟炸機發(fā)動機和商用客機發(fā)動機風(fēng)扇/ 壓氣機葉片與整體葉盤上。與此同時，世界激光沖擊強化技術(shù)的研究與應(yīng)用人員從2008年起每2年組織1屆國際激光沖擊強化技術(shù)研討會，對激光沖擊強化的基礎(chǔ)理論、工藝的數(shù)值模擬、工藝的試驗驗證、由LSP條件造成的機械特性等方面進行深入探討。這些標志著激光沖擊強化技術(shù)越來越得到世界的關(guān)注。

1 在風(fēng)扇/壓氣機葉片上的應(yīng)用與發(fā)展

20世紀90年代初，配裝B-1B轟炸機的F101發(fā)動機因風(fēng)扇葉片斷裂引發(fā)了多次重大飛行事故。其原因，是第1級鈦合金風(fēng)扇葉片前緣被吞入發(fā)動機的硬外來物打傷，造成疲勞強度由要求的75ksi（518MPa）左右下降到20ksi（138MPa）以下，進而引發(fā)疲勞斷裂。為了避免該類故障的發(fā)生，美國空軍地勤人員在F101發(fā)動機每飛行25h和每天第1次飛行前對所有風(fēng)扇葉片進行1次能夠發(fā)現(xiàn)0.127mm裂紋的精細檢查。1994年，為了完成上述檢查和保證B-1B轟炸機安全飛行，美國空軍花費了100多萬維護人時和1000多萬美元。

1994年12月，美國正式實施“高循環(huán)疲勞科技計劃”，以幫助消除飛機渦輪發(fā)動機的高循環(huán)疲勞故障。作為該計劃的關(guān)鍵技術(shù)，激光沖擊強化等部件表面處理技術(shù)得到了大力開發(fā)和驗證。同時，在美國國防部的制造技術(shù)（ManTech）研究計劃下，GE公司和激光沖擊強化技術(shù)（LSPT）公司合作也開發(fā)激光沖擊強化技術(shù)，以提高鈦合金風(fēng)扇葉片的耐久性和降低其對外來物損傷的敏感性。

LSPT公司首先進行了噴丸強化與激光沖擊強化對F101-GE-102發(fā)動機風(fēng)扇葉片疲勞特性影響的比較研究[5-7]。疲勞試驗結(jié)果（見圖2）表明：基準的無損傷的葉片在80ksi（552MPa）下在106個循環(huán)失效；帶有凹口的未處理的葉片在20~30ksi（138~207MPa）下失效；雙強度噴丸強化的葉片的平均失效應(yīng)力估算值為35ksi(242MPa) ；高強度噴丸強化的葉片的平均失效應(yīng)力估算值為45ksi（311MPa）；而激光沖擊強化的帶凹口的葉片的平均失效應(yīng)力為100ksi(690MPa)，高于沒有損傷的葉片的失效應(yīng)力；甚至激光沖擊強化的帶放電加工的凹口的葉片的平均失效應(yīng)力為75~80ksi（518~552MPa）。激光沖擊強化部件疲勞強度改進數(shù)據(jù)也表明，與基準的未損傷、未處理的風(fēng)扇葉片相比，有6.35mm 切口損傷的F101 發(fā)動機風(fēng)扇葉片經(jīng)激光沖擊強化后的疲勞強度等于或高于未受損傷、未處理的葉片的疲勞強度。也就是說，激光沖擊強化能夠恢復(fù)受損傷的風(fēng)扇葉片的結(jié)構(gòu)完整性，保證風(fēng)扇葉片連續(xù)且安全地工作，甚至有最大到6.35mm 的外來物損傷缺陷的F101發(fā)動機風(fēng)扇葉片也可以繼續(xù)使用。

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1995年，LSPT公司得到美國空軍的批準，開始研制生產(chǎn)型激光沖擊強化系統(tǒng)。在解決了激光的光學(xué)布局、系統(tǒng)診斷的選擇、激光箱體與電子箱體的機械設(shè)計等問題后，LSPT公司成功地開發(fā)了由激光室與處理室組成的原型生產(chǎn)型激光系統(tǒng)。1997年，GE公司引進了LSPT公司設(shè)計與制造的4套激光沖擊強化系統(tǒng)，并開始對F101發(fā)動機第1級風(fēng)扇葉片進行沖擊強化。經(jīng)過激光沖擊強化的F101-GE-102 發(fā)動機風(fēng)扇葉片的深處產(chǎn)生壓縮應(yīng)力（是常規(guī)噴丸沖擊強化的4倍），阻止了裂紋的起始和擴展，實現(xiàn)了由目視檢查取代精細檢查，大大節(jié)省了使用與維護費用。據(jù)報道，采用這一技術(shù)，空軍每年可以節(jié)省1000萬美元的替換、修理與維護費用，并且由于避免大約42次左右的致命性發(fā)動機故障而節(jié)省4000 萬美元的發(fā)動機費用。

盡管取得了巨大成功，但是處理速度慢和處理費用高兩大不足嚴重地限制了激光沖擊強化技術(shù)的推廣與應(yīng)用。其原因包括以下2點：

（1）涂敷和去除不透明涂層在進行激光沖擊強化的激光強化間外面進行，多次沖擊就需要反復(fù)搬運，造成勞動強度大和工作時間長。

（2）圓形激光束光點的重迭面積大（如果要實現(xiàn)100% 覆蓋待處理表面，圓形激光束光點的重迭面積要高達30%），增加了處理時間。

為此，在ManTech研究計劃的激光沖擊強化分研究計劃下，LSPT公司開發(fā)了耐用的預(yù)生產(chǎn)型的激光沖擊系統(tǒng)。LSPT公司開發(fā)并驗證了由噴涂專用不透明涂覆層、覆蓋水膜、發(fā)射激光脈沖和去除與清潔下一次要處理的表面4個步驟構(gòu)成的RapidCoaterTM系統(tǒng)，使費用減少30%~40%，處理效率提高4~6倍，并將其集成到激光強化系統(tǒng)中；開發(fā)了監(jiān)控快速涂敷系統(tǒng)在零件表面涂敷涂層質(zhì)量的控制器與監(jiān)控器，以確?？煽壳乙恢碌男阅?；研制了減少激光束光點重疊的由圓形光點轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦喂恻c的專門光學(xué)裝置；研制了與涂敷工藝同步、與激光控制系統(tǒng)聯(lián)接、指示控制光束形狀的光學(xué)裝置發(fā)出矩形光點的控制系統(tǒng)；建造了包括新的激光控制器、激光監(jiān)控器、半自動強化間、激光系統(tǒng)的2個經(jīng)濟可承受的激光沖擊強化間。這大大提高了工藝可靠性，降低了工藝成本，改善了激光束能量、時間分布和空間分布。

隨著技術(shù)的不斷進展，激光沖擊強化又被推廣應(yīng)用到配裝F-16A/B戰(zhàn)斗機的F110-GE-100 發(fā)動機、配裝F-16C/D 的F110-GE-129 發(fā)動機、正在研制的JSF120 發(fā)動機、配裝F-15戰(zhàn)斗機的F100-PW-220 發(fā)動機、配裝波音777 客機的Trent800 發(fā)動機、配裝波音787的TRENT1000發(fā)動機的風(fēng)扇/壓氣機葉片上。這一技術(shù)使FOD容限提高15倍，檢驗的工時與費用大大減少，飛行安全明顯改善。據(jù)報道，應(yīng)用于F110-GE-100和F110-GE-129 發(fā)動機，為空軍每年節(jié)省了上百萬美元的維護費用，并且估計避免了較多的致命性的發(fā)動機故障。到2002年，已經(jīng)節(jié)省了5900萬美元。預(yù)計，在美國空軍機隊的壽命期內(nèi)可節(jié)省10億美元。美國金屬表面工程公司（MIC）公司將激光沖擊強化技術(shù)用于軍民用噴氣發(fā)動機葉片以延長其疲勞壽命，不但提高了飛機發(fā)動機的安全可靠性，而且每月可節(jié)約幾百萬美元的飛機保養(yǎng)費用、節(jié)約幾百萬美元的零件更換費用。