激光沖擊強(qiáng)化加工金屬表面

　　激光沖擊強(qiáng)化(Laser shock peening，LSP)是近幾年發(fā)展起來的一種新型表面強(qiáng)化技術(shù)，目前在美國已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的表面強(qiáng)化。該技術(shù)已成為先進(jìn)發(fā)動機(jī)葉片強(qiáng)化的必選技術(shù)之一。它的應(yīng)用大幅度提高了構(gòu)件的抗疲勞壽命，在航空、航天、石油、核電、汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

　　精確的“光爆炸”優(yōu)良的“免疫力”

　　該技術(shù)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(yīng)力，從而提高結(jié)構(gòu)疲勞性能。激光沖擊強(qiáng)化是激光加工中峰值功率最高的，產(chǎn)生的等離子體相當(dāng)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(qiáng)化構(gòu)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(yīng)力層。相比噴丸而言，激光沖擊強(qiáng)化可以獲得更深的殘余壓應(yīng)力層，更光滑的表面，更易于精確控制。對發(fā)動機(jī)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(qiáng)度急劇減低，而激光沖擊強(qiáng)化獲得的殘余壓應(yīng)力層能很好阻止或者延緩裂紋萌生，提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和安全性，相當(dāng)于在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位獲得“免疫力”。激光沖擊強(qiáng)化在不改變設(shè)計的基礎(chǔ)上能很好提高其疲勞性能，在葉片邊緣、孔槽結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)接R等關(guān)鍵部位均有很好的應(yīng)用價值。

　　美國1997年開始在發(fā)動機(jī)葉片上采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，目前在F119發(fā)動機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)整體葉盤采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)提高疲勞壽命4～5倍。除發(fā)動機(jī)外，F-22飛機(jī)機(jī)身孔結(jié)構(gòu)、T-45艦載機(jī)攔阻桿等結(jié)構(gòu)均采用激光沖擊強(qiáng)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(qiáng)化核反應(yīng)堆壓力容器焊縫，提高了焊縫抗應(yīng)力腐蝕性能。

　　激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的“先鋒隊(duì)”

　　中航工業(yè)制造所是國內(nèi)最早開始激光沖擊強(qiáng)化的單位之一，擁有專門的研究團(tuán)隊(duì)和較強(qiáng)的科研實(shí)力。歷經(jīng)十幾年的穩(wěn)步發(fā)展，在應(yīng)用基礎(chǔ)研究、專用裝備研制、工藝技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定等多層次取得了一系列成果，為該技術(shù)在我國的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)：在國內(nèi)率先開展發(fā)動機(jī)鈦合金葉片的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究，進(jìn)而突破了航空發(fā)動機(jī)整體葉盤激光沖擊強(qiáng)化的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；從國際合作研制強(qiáng)脈沖激光器到自我研制高頻率強(qiáng)脈沖激光器，開發(fā)激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備；從圓形光斑轉(zhuǎn)化到方形光斑激光沖擊強(qiáng)化，成功解決了葉片薄壁結(jié)構(gòu)邊緣變形和殘余應(yīng)力沖突的技術(shù)難題；采用柔性光學(xué)關(guān)節(jié)和小型激光加工頭，實(shí)現(xiàn)了隱蔽面的激光沖擊強(qiáng)化；分析了激光沖擊強(qiáng)化高溫合金后殘余應(yīng)力釋放慢的特性，突破了渦輪盤榫齒等難強(qiáng)化面表面強(qiáng)化的瓶頸；針對行業(yè)內(nèi)對新技術(shù)執(zhí)行規(guī)范的高度關(guān)注，適時發(fā)布了激光沖擊強(qiáng)化航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。中航工業(yè)制造所為工廠激光沖擊強(qiáng)化提供技術(shù)支持及成果轉(zhuǎn)讓，為航空制造領(lǐng)域推廣應(yīng)用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)做出了自己應(yīng)盡的貢獻(xiàn)。目前，制造所已實(shí)現(xiàn)整體葉盤的強(qiáng)化，將為長壽命、高性能的發(fā)動機(jī)設(shè)計提供一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

　　長壽命制造技術(shù)的新選擇

　　隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，對航空裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的服役壽命要求越來越高，減重增效是先進(jìn)裝備制造技術(shù)的永恒目標(biāo)。制造所著眼行業(yè)需求，深入開展激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用于金屬材料的焊接結(jié)構(gòu)、機(jī)身孔結(jié)構(gòu)、重點(diǎn)疲勞區(qū)轉(zhuǎn)接R等的抗疲勞制造技術(shù)研究，正在更廣泛的領(lǐng)域?yàn)殛P(guān)鍵構(gòu)件的抗疲勞制造做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。