20世紀(jì)60年代第1臺激光器發(fā)明以來，激光因其具有高方向性、高亮度、高單色性和高相干性等優(yōu)良品質(zhì)而被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，成為理想的加工熱源。激光經(jīng)聚焦后光斑上的功率密度可達(dá)104~1015W/cm2，金屬材料在高的功率密度光的照射下會瞬間快速升溫、熔化甚至瞬間汽化。因此，應(yīng)用不同的功率密度和加熱作用時(shí)間，激光就可實(shí)現(xiàn)表面熱處理、表面重熔、合金化、熔覆、焊接、切割、打孔、表面沖擊強(qiáng)化等不同的加工目的，是非常理想的加熱源。激光加工的表面改性技術(shù)已在飛機(jī)結(jié)構(gòu)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。我國使用激光熔覆技術(shù)熔鑄航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片冠部、渦輪導(dǎo)向器，成功恢復(fù)了損傷件的形狀、尺寸和性能。 

       近些年來，隨著新機(jī)的快速裝備，鈦合金和復(fù)合材料已成為我軍現(xiàn)役飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料。而激光由于具有高方向性、高亮度、高相干性等優(yōu)良品質(zhì)而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，它也必將在飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理領(lǐng)域扮演重要角色。 

激光加工技術(shù)應(yīng)用 1 激光熱處理技術(shù) 
        以一定速度移動(dòng)的激光束照射金屬表面時(shí)，表層金屬吸收能量后迅速升溫，當(dāng)光斑移動(dòng)后，基體材料吸收表層的熱量使表層金屬的溫度以極高的速度迅速下降，形成不同于常規(guī)淬火的自淬火。由于自淬火的降溫速度極高，因此可得到顯微組織特殊的表面改性層，這對于提高金屬的硬度、耐磨性、耐腐蝕性、耐疲勞性有良好的作用。激光熱處理是最早開發(fā)的激光加工技術(shù)，現(xiàn)在已形成了較完善的理論和工程應(yīng)用技術(shù)。對于可以相變強(qiáng)化的碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼，激光表面淬火可以產(chǎn)生傳統(tǒng)淬火更高的硬度，甚至對于不具有淬硬性的一些低碳鋼材料也有一定的強(qiáng)化作用。圖1為35CrMo鋼的激光淬火效果。

2 激光表面重熔技術(shù) 

        應(yīng)用比激光表面淬火更高的激光功率密度照射金屬表面會使表層金屬熔化，光斑移動(dòng)后，基體金屬吸熱使熔池內(nèi)金屬液體迅速固化，形成強(qiáng)烈激冷的具有極細(xì)晶粒和過飽和固溶體顯微組織，由于細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化的作用，可以明顯提高材料表面的硬度、耐磨性。研究表明，通過重熔，鋁合金的硬度可以提高30%~100%，這是工藝最簡單的激光加工技術(shù)，但是強(qiáng)化的幅度有限。對于承受交變載荷的飛機(jī)結(jié)構(gòu)鋁合金型材、板材，激光重熔后必然存在的過熱層的疲勞品質(zhì)是決定結(jié)構(gòu)使用壽命的關(guān)鍵，因此，在進(jìn)入工程應(yīng)用前須以試驗(yàn)驗(yàn)證激光重熔對材料疲勞性能的影響。對于結(jié)構(gòu)鋼材料，重熔硬化效果顯著，圖2所示為45#鋼激光重熔不同區(qū)域組織。由圖2可以看出，激光重熔后組織由珠光體轉(zhuǎn)換成馬氏體。

3 激光表面合金化技術(shù) 

       在激光熔化表層金屬時(shí)向熔池加入設(shè)計(jì)的合金元素，可以在不改變基體合金成分的前提下在表層得到需要性能的合金化層。這項(xiàng)技術(shù)對特殊性能需要零件的制造十分有利，可制造出傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的非均材質(zhì)、非均一性能的金屬或復(fù)合材料零件。由于激光表面合金化過程中熔池降溫速度極高，可形成傳統(tǒng)冶金工藝條件下難以實(shí)現(xiàn)的合金、組織結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)需要可以形成高的硬度、耐磨性，良好的耐腐蝕性能和耐熱性能的合金化層。針對鋁合金，人們試驗(yàn)了各種不同的合金體系的激光表面合金化工藝，如Cu、Fe、Si、Ni、Cr 和WC、SiC 等。其中鎳基合金化層彌散有金屬間化合物AlNi、Ni3Al 相，具有較高的硬度和耐磨性，但是合金化層較脆，存在開裂現(xiàn)象。激光熔覆的結(jié)合界面必然存在基體與熔覆材料的合金化冶金過程。圖3 為鋁合金合金化成分掃描曲線。

4 激光焊接技術(shù) 

        激光能量密度高，能在瞬間使表層金屬熔化、氣化，是焊接的理想能源，可以獲得寬度窄、熱影響區(qū)小的理想焊縫。目前已經(jīng)在多種金屬、多種條件下獲得高質(zhì)量的焊縫，是應(yīng)用較廣泛的激光加工技術(shù)。對于飛機(jī)結(jié)構(gòu)常用的LY12(2024)、LC4(7075) 等高強(qiáng)度、焊接性能較差的變形鋁合金，激光焊接是最有發(fā)展前途的焊接技術(shù)。國內(nèi)外研究人員應(yīng)用連續(xù)式CO2 激光、Nd:YAG 激光、半導(dǎo)體激光、準(zhǔn)分子激光為能源，以不同的工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)了較理想的2024、7075、6063、5083、5052等合金板材焊接, 并進(jìn)行了有限元分析。因此，激光焊接技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理領(lǐng)域有相當(dāng)廣闊的開發(fā)前景，特別是在飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷搶修領(lǐng)域，由于其具有焊接速度快、施工較鉚接簡單的特點(diǎn)，是代替鉚接工藝的理想技術(shù)。對于鈦合金、高溫合金、不銹鋼材料，激光是理想的焊接能源，可形成熱影響區(qū)小、焊接應(yīng)力小、變形小、性能高的焊縫。

5 激光切割技術(shù) 
       激光可以切割幾乎所有材料，并且可以通過選擇氣化、熔化、氧化切割方法和工藝參數(shù)而在不同材料切割中得到高質(zhì)量的切縫表面。激光切割變形小、精度高、節(jié)省材料、切割效率高、對環(huán)境污染小。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷搶修領(lǐng)域，應(yīng)用激光切割技術(shù)可以快速切除損傷、變形的結(jié)構(gòu)，為實(shí)施修復(fù)創(chuàng)造施工條件、節(jié)省寶貴的時(shí)間。 

6 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù) 

       激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是繼噴丸、冷擠壓之后的又一種材料表面強(qiáng)化技術(shù)，當(dāng)極高功率密度、短脈沖的激光到達(dá)材料表面，低熔點(diǎn)的材料會迅速氣化，表層材料的相當(dāng)于爆炸的瞬間氣化產(chǎn)生沖擊波對基體會產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械作用。因此，在需要處理的材料表面預(yù)置低熔點(diǎn)金屬或非金屬涂層，經(jīng)激光照射后，可以大幅度提高材料表面硬度（提高5 倍以上）、表面壓應(yīng)力，對提高基材的抗疲勞性能有著顯著的作用。研究表明，激光沖擊強(qiáng)化的主要機(jī)理是氣化沖擊波時(shí)金屬表面晶粒位錯(cuò)密度均勻、大幅度地提高，位錯(cuò)的交割、纏結(jié)交互作用形成均勻的表面殘余壓應(yīng)力，從而降低疲勞裂紋擴(kuò)展速率，提高壽命的幅度達(dá)20%~300%以上。可以看出，該技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，特別是在航空結(jié)構(gòu)常見的小孔、焊縫、凹槽等傳統(tǒng)工藝無法強(qiáng)化的特殊部位（如鉚釘孔），激光沖擊強(qiáng)化是其他工藝無法替代的新技術(shù)。 

7 激光表面熔覆技術(shù) 

       激光表面熔覆是在金屬基體表面上預(yù)涂一層金屬、合金或陶瓷粉末，在激光重熔時(shí)，控制能量輸入?yún)?shù)，使添加層在充分融化后使基體微熔與基體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，從而得到一個(gè)外加的具有需要性能的熔覆層，圖4所示為激光熔覆層SEM 分析。

        與激光表面合金化相比，該工藝過程中避免基體的過度熔化，保持了熔覆層內(nèi)材料的特性和功能，是非常重要的表面改性技術(shù)，應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)可獲得巨大的技術(shù)效益。該方法在1981年被成功地應(yīng)用于大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片后引起了廣泛重視，已成為國內(nèi)外激光表面改性的研究重點(diǎn)之一。鋁合金材料硬度低，在其表面熔覆一個(gè)硬的耐磨層意義特別重大。但困難的是，鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)高、熔點(diǎn)低。而熔覆層的熔點(diǎn)通常大大高于鋁合金基體，難以形成稀釋度小、性能穩(wěn)定的合金化層。實(shí)踐證明，經(jīng)過嚴(yán)格控制激光工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)需要功能和特性的合金表層，國內(nèi)外已成功地在鋁合金表面進(jìn)行了多種合金熔覆實(shí)驗(yàn)。豐田公司已將發(fā)動(dòng)機(jī)氣閥座由原來的鑲嵌結(jié)構(gòu)改為直接熔覆，使閥座的耐磨性、潤滑性、導(dǎo)熱性等大幅提高。國外不但將激光熔覆用于表面改性，也用于機(jī)械零件的修復(fù)，由此開發(fā)研究了激光快速成型技術(shù)（DMD、DMP），用于機(jī)械零件的直接制造。對于機(jī)械零件的表面磨損和腐蝕損傷，可以用激光多層熔覆的方法恢復(fù)其尺寸和形狀。美國海軍已建立專門的激光熔覆修理實(shí)驗(yàn)室對水下裝備的鋁合金結(jié)構(gòu)件的腐蝕損傷進(jìn)行了成功的修復(fù)。對于海軍飛機(jī)常見的腐蝕損傷，激光熔覆技術(shù)具有巨大的開發(fā)應(yīng)用前景。 

激光加工技術(shù)發(fā)展前景 

       激光加工技術(shù)在很大程度上適應(yīng)了現(xiàn)代飛機(jī)搶修中對鈦合金切割、鈦合金焊接、復(fù)合材料的切割的廣泛需要。只要調(diào)整激光的功率密度和光斑移動(dòng)速度就可以實(shí)現(xiàn)多種加工目的，是傳統(tǒng)加工工藝所無法比擬的。它可以成為彌補(bǔ)傳統(tǒng)搶修技術(shù)缺陷的首選先進(jìn)搶修技術(shù)，也是大有發(fā)展前景的搶修技術(shù)。 

       激光加工的表面改性技術(shù)已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。使用激光熔覆技術(shù)熔鑄航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片冠部，成功恢復(fù)了葉片軸向尺寸。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理領(lǐng)域，激光加工技術(shù)已經(jīng)開始得到重視，加拿大將其列為有重大價(jià)值的技術(shù)。但是對于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要材料鋁合金，由于沸點(diǎn)低、傳熱快、對激光的吸收率低，激光加工較困難，是國內(nèi)外激光應(yīng)用領(lǐng)域公認(rèn)的難題。如能成功應(yīng)用，具有非常高的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。 

       在激光搶修技術(shù)的研究上，我國海軍已走在國內(nèi)前沿。2006 年由海軍航空工程學(xué)院等科研院所研制的“移動(dòng)式激光搶修系統(tǒng)”已經(jīng)開始配發(fā)部隊(duì)，為激光技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理乃至戰(zhàn)時(shí)搶修創(chuàng)造了條件。