激光沖擊強化加工金屬表面

　　激光沖擊強化(Laser shock peening，LSP)是近幾年發(fā)展起來的一種新型表面強化技術，目前在美國已廣泛應用于航空發(fā)動機關鍵結構件的表面強化。該技術已成為先進發(fā)動機葉片強化的必選技術之一。它的應用大幅度提高了構件的抗疲勞壽命，在航空、航天、石油、核電、汽車等領域有著廣泛的應用前景。

　　精確的“光爆炸”優(yōu)良的“免疫力”

　　該技術是利用高峰值功率密度(>10^9W/cm^2)的脈沖激光透過約束層后作用于金屬靶材表面的吸收層上，產(chǎn)生受約束的高壓(>1GPa)等離子體，產(chǎn)生的沖擊波使金屬材料表層產(chǎn)生塑性變形，獲得表面殘余壓應力，從而提高結構疲勞性能。激光沖擊強化是激光加工中峰值功率最高的，產(chǎn)生的等離子體相當于在材料表面產(chǎn)生小爆炸，但由于作用時間極短(納秒量級)，熱作用僅在吸收層幾微米深度，對待強化構件是一種沖擊波作用的冷加工，可以獲得光滑的微米級凹陷、毫米級殘余壓應力層。相比噴丸而言，激光沖擊強化可以獲得更深的殘余壓應力層，更光滑的表面，更易于精確控制。對發(fā)動機鈦合金葉片而言，一旦葉片邊緣因外物破壞形成缺口，其疲勞強度急劇減低，而激光沖擊強化獲得的殘余壓應力層能很好阻止或者延緩裂紋萌生，提高結構的疲勞壽命和安全性，相當于在關鍵結構關鍵部位獲得“免疫力”。激光沖擊強化在不改變設計的基礎上能很好提高其疲勞性能，在葉片邊緣、孔槽結構、焊接結構、轉(zhuǎn)接R等關鍵部位均有很好的應用價值。

　　美國1997年開始在發(fā)動機葉片上采用激光沖擊強化技術，目前在F119發(fā)動機風扇和壓氣機整體葉盤采用激光沖擊強化技術提高疲勞壽命4～5倍。除發(fā)動機外，F-22飛機機身孔結構、T-45艦載機攔阻桿等結構均采用激光沖擊強化提供疲勞壽命，大大延長了檢修周期。日本采用激光沖擊強化核反應堆壓力容器焊縫，提高了焊縫抗應力腐蝕性能。

　　激光沖擊強化技術的“先鋒隊”

　　中航工業(yè)制造所是國內(nèi)最早開始激光沖擊強化的單位之一，擁有專門的研究團隊和較強的科研實力。歷經(jīng)十幾年的穩(wěn)步發(fā)展，在應用基礎研究、專用裝備研制、工藝技術研究、標準制定等多層次取得了一系列成果，為該技術在我國的發(fā)展奠定了堅實的基礎：在國內(nèi)率先開展發(fā)動機鈦合金葉片的激光沖擊強化技術研究，進而突破了航空發(fā)動機整體葉盤激光沖擊強化的多項關鍵技術；從國際合作研制強脈沖激光器到自我研制高頻率強脈沖激光器，開發(fā)激光沖擊強化設備；從圓形光斑轉(zhuǎn)化到方形光斑激光沖擊強化，成功解決了葉片薄壁結構邊緣變形和殘余應力沖突的技術難題；采用柔性光學關節(jié)和小型激光加工頭，實現(xiàn)了隱蔽面的激光沖擊強化；分析了激光沖擊強化高溫合金后殘余應力釋放慢的特性，突破了渦輪盤榫齒等難強化面表面強化的瓶頸；針對行業(yè)內(nèi)對新技術執(zhí)行規(guī)范的高度關注，適時發(fā)布了激光沖擊強化航空行業(yè)標準。中航工業(yè)制造所為工廠激光沖擊強化提供技術支持及成果轉(zhuǎn)讓，為航空制造領域推廣應用激光沖擊強化技術做出了自己應盡的貢獻。目前，制造所已實現(xiàn)整體葉盤的強化，將為長壽命、高性能的發(fā)動機設計提供一項關鍵技術。

　　長壽命制造技術的新選擇

　　隨著先進制造技術的發(fā)展，對航空裝備關鍵結構件的服役壽命要求越來越高，減重增效是先進裝備制造技術的永恒目標。制造所著眼行業(yè)需求，深入開展激光沖擊強化應用于金屬材料的焊接結構、機身孔結構、重點疲勞區(qū)轉(zhuǎn)接R等的抗疲勞制造技術研究，正在更廣泛的領域為關鍵構件的抗疲勞制造做出應有的貢獻。