激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

1、1激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望摘要：摘要：首先簡介了激光沖擊強(qiáng)化的基本原理和技術(shù)優(yōu)勢；然后簡述了該技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展和應(yīng)用情況，扼要介紹了我國激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究現(xiàn)狀和近期取得的主要進(jìn)展；最后對激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。我國激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備和技術(shù)已基本成熟，可以進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：激光沖擊強(qiáng)化；沖擊波；表面處理；疲勞長期以來，我國多型航空發(fā)動機(jī)在使用過程中出現(xiàn)了由于發(fā)動機(jī)葉片打傷、疲勞斷

2、裂和腐蝕等造成的重大故障和事故，直接影響了發(fā)動機(jī)使用安全性和壽命，成為我軍航空裝備的重大問題。飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接件、壁板及小孔邊等裂紋也成為限制壽命的重要因素。飛機(jī)和航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)大量采用金屬材料，金屬材料的主要失效形式疲勞和腐蝕均始于材料表面，所以金屬材料表面的結(jié)構(gòu)和性能直接影響著材料的綜合性能。為此，人們采用噴丸、滾壓、內(nèi)擠壓等多種表面強(qiáng)化工藝來改善金屬表面性能。利用強(qiáng)激光誘導(dǎo)沖擊波來強(qiáng)化金屬表面的新技術(shù)稱為激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)（簡稱LSP）

3、，由于其表面強(qiáng)化效果好，自產(chǎn)生之日起就得到了廣泛的關(guān)注和研究。1998年該技術(shù)被美國研發(fā)雜志評為全美100項最重要的先進(jìn)技術(shù)之一。美國上世紀(jì)90年代后期開始的航空發(fā)動機(jī)高頻疲勞研究計劃中，將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)列為工藝技術(shù)措施首位。2005年，研制激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)的MIC公司獲美國國防制造最高成就獎。美國將該技術(shù)列為第四代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一，足見該項技術(shù)的重大價值。1激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)簡介激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)簡介當(dāng)短脈沖(幾十納秒內(nèi))的高峰

4、值功率密度()的激光輻射金屬表面時，金9210Wcm屬表面吸收層（涂覆層）吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓(GPa)等離子體，該等離子體受到約束層的約束爆炸時產(chǎn)生高壓沖擊波，作用于金屬表面并向內(nèi)部傳播。在材料表層形成密集、穩(wěn)定的位錯結(jié)構(gòu)的同時，使材料表層產(chǎn)生應(yīng)變硬化，殘留很大的壓應(yīng)力，顯著的提高材料的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕等性能，這就是激光沖擊強(qiáng)化，其原理如圖1所示。35～10倍；（2）激光沖擊強(qiáng)化適用于對表面不規(guī)則部件、薄件、小孔

5、、溝槽和大結(jié)構(gòu)件局部進(jìn)行強(qiáng)化。擠壓、撞擊強(qiáng)化只適合平面或規(guī)則回轉(zhuǎn)面，噴丸強(qiáng)化對表面不規(guī)則部件實施較困難或效果受影響，對薄件強(qiáng)化可能引起變形，對表面粗糙度或尺寸都可能產(chǎn)生影響，對大型結(jié)構(gòu)件強(qiáng)化設(shè)備要求很高；而激光沖擊強(qiáng)化能克服這些不足，可達(dá)性好，光斑可調(diào)，并對強(qiáng)化位置的表面粗糙度和尺寸精度基本沒有影響；擠壓強(qiáng)化等對小孔邊強(qiáng)化不太適合，而激光沖擊強(qiáng)化很有效；（3）激光沖擊強(qiáng)化對消除焊縫和激光熔覆等處理后的殘余拉應(yīng)力很有效。與其它消除殘余拉應(yīng)

6、力的方法比，激光沖擊強(qiáng)化有無熱影響、效果顯著和可達(dá)性好等優(yōu)勢。2激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)最初開發(fā)于20世紀(jì)70年代初的美國貝爾實驗室，我國著名物理學(xué)家錢臨照教授早在60年代也提出過這方面的思想。1972年，美國巴特爾學(xué)院（BattelleMemialInstitute）的FairB.P.等人首次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(jī)械性能，從此揭開了用

7、激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用研究的序幕。1978年秋，該實驗室的FdS.C等人與美國空軍實驗室聯(lián)合，進(jìn)行激光沖擊改善緊固件疲勞壽命的研究，結(jié)果表明激光沖擊強(qiáng)化可大幅度提高緊固件的疲勞壽命。當(dāng)時由于缺少可靠的、高脈沖頻率的大功率激光器而未能實用化。上世紀(jì)80年代后期，歐洲、日本、以色列等國家和地區(qū)紛紛開展了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究。但從公開報道的資料看，到目前為止，國際上還只有美國將激光沖擊強(qiáng)化實際應(yīng)用。上世紀(jì)90年代在美國高頻疲勞研究國家計劃等支持下，

8、美國利佛莫爾國家實驗室和GE、MIC公司等聯(lián)合深入開展了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的理論、工藝和設(shè)備的研究，使激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)獲得了很大發(fā)展，逐步走向了實用，用于F110、F101、F414等發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)和修理。其中，F(xiàn)110、F101發(fā)動機(jī)在使用中發(fā)生多次風(fēng)扇葉片故障，迫使F101每飛25小時和F110每天第一次飛行前要做一次能夠發(fā)現(xiàn)0.127mm裂紋的精細(xì)檢查，采用激光沖擊強(qiáng)化解決了這一問題。進(jìn)入21世紀(jì)之后，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用取得了長足