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2008年11月30 此次中國激光沖擊強化應用技術取得重大突破，對解決中國飛機發動機疲勞斷裂問題、提高其可靠性將具有重大的意義。 激光沖擊強化技術簡介 飛機和航空發動機結構大量采用金屬材料，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構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、內擠壓等多種表面強化工藝來改善金屬表面性能。利用強激光誘導沖擊波來強化金屬表面的新技術稱為激光沖擊強化技術（簡稱LSP），由于其表面強化效果好，自產生之日起就得到了廣泛的關注和研究。1998年該技術被美國研發雜志評為全美100項最重要的先進技術之一。美國上世紀90年代后期開始的航空發動機高頻疲勞研究計劃中，將激光沖擊強化技術列為工藝技術措施首位。2005年，研制激光沖擊強化系統的MIC公司獲美國國防制造最高成就獎。美國將該技術列為第四代戰斗機發動機關鍵技術之一，足見該項技術的重大價值。 當短脈沖(幾十納秒內)的高峰值功率密度( )的激光輻射金屬表面時，金屬表面吸收層（涂覆層）吸收激光能量發生爆炸性汽化蒸發，產生高壓(GPa)等離子體，該等離子體受到約束層的約束爆炸時產生高壓沖擊波，作用于金屬表面并向內部傳播。在材料表層形成密集、穩定的位錯結構的同時，使材料表層產生應變硬化，殘留很大的壓應力，顯著的提高材料的抗疲勞和抗應力腐蝕等性能，這就是激光沖擊強化。 激光沖擊強化技術和其它表面強化技術相比較，具有如下鮮明特點：（1）高壓，沖擊波的壓力達到數GPa，乃至TPa 激光沖擊強化技術國內外發展現狀 激光沖擊強化技術最初開發于20世紀70年代初的美國貝爾實驗室，我國著名物理學家錢臨照教授早在60年代也提出過這方面的思想。1972年，美國巴特爾學院（Battelle Memorial Institute）的Fairand B.P.等人首次用高功率脈沖激光誘導的沖擊波來改變7075鋁合金的顯微結構組織以提高其機械性能，從此揭開了用激光沖擊強化應用研究的序幕。1978 年秋，該實驗室的Ford S.C等人與美國空軍實驗室聯合，進行激光沖擊改善緊固件疲勞壽命的研究，結果表明激光沖擊強化可大幅度提高緊固件的疲勞壽命。當時由于缺少可靠的、高脈沖頻率的大功率激光器而未能實用化。 上世紀80 進入21世紀之后，激光沖擊強化技術的應用取得了長足的進展。美國空軍為提高激光沖擊強化生產效率做出了很大的努力，設置了4個重要的制造技術計劃(Air Force Manufacturing Technology Programmes)，取得了許多重要進展，解決了提高激光沖擊強化生產效率和可移動式生產等工業應用問題。2002年以來，美國已將激光沖擊強化大規模用于航空部件的制造和修理中，例如，美國MIC公司將激光沖擊強化技術用于軍民用噴氣發動機葉片以改善其疲勞壽命，不但提高了飛機發動機的安全可靠性，而且每月可節約飛機保養費幾百萬美元、節約零件更換費幾百萬美元。美國預計僅僅戰斗機發動機葉片的處理，就能節約成本超過10億美元。2003年，美聯邦航空局（FAA）和日本亞細亞航空（JAA）將激光沖擊強化批準為飛機關鍵件維修技術，當年這項技術即被用于波音777飛機的零部件處理。 2004 年，美國激光沖擊技術公司（LSP Technologies, Inc., LSPT）與美國空軍實驗室開展了F/A-22上F119發動機鈦合金損傷葉片激光沖擊強化修復研究，對具有微裂紋、疲勞強度不夠的損傷葉片，經過激光沖擊處理后，疲勞強度為413.7MPa，完全滿足葉片使用的設計要求379MPa，取得了巨大成功。此外，對葉片楔形根部進行激光沖擊處理后，其微動疲勞壽命至少提高25倍以上。目前，激光沖擊強化技術已大量用于F119-PW-100發動機整體葉盤等部件的生產。LSP公司還提出了對飛機蒙皮鉚接結構強化的專利，應用可移動激光設備在飛機裝配現場對鉚接后的鉚釘及其周圍強化，效果明顯。 從2005年開始美國又將激光沖擊強化逐步擴大到大型汽輪機、水輪機葉片以及石油管道、汽車關鍵零部件等的處理。據報道僅石油管道焊縫的處理就能達到10億美元以上的收益。 中國激光沖擊強化研究 國內從20世紀90年代開始激光沖擊強化技術的研究，主要進行了理論探討和針對鋼材、鋁合金材料等的試驗研究。開展了激光沖擊強化研究的單位主要有中國科學技術大學、江蘇大學、南京航空航天大學、華中理工大學、北京航空制造工程研究所、航空材料研究院、北京航空航天大學、空軍工程大學等單位。 南京航空航天大學的探索研究比較早，初步驗證了激光沖擊強化是有作用的，在國內具有一定開創性。華中理工大學對LY12鋁合金沖擊前后的試件做了疲勞實驗，并進行了初步的微觀機理研究，表明激光沖擊強化使位錯密度提高21倍、表面產生49.43MPa的殘余壓應力。北京航空制造工程研究所對鋁合金LY112鉚接試件的鉚釘孔進行激光沖擊強化實驗，表明激光沖擊強化能穩定提高鉚接結構疲勞壽命約80%，該所從俄羅斯引進了可進行單次沖擊試驗用的激光器設備，但由于俄羅斯并未專門研制激光沖擊強化用激光器，該激光器不能滿足工業應用要求。 90 近年來，盡管需求越來越迫切，但受設備和關鍵技術的限制，國內的研究不夠活躍。針對重大的應用要求，空軍工程大學與西安天瑞達光電技術有限公司、江蘇大學、西安藍鷹電器設備公司和鐳寶光電公司等多家單位合作，對激光沖擊強化技術的強化機理、關鍵技術、成套設備和在航空發動機上的應用工藝進行了大量研究，現已研制出適合強化高溫合金、鈦合金等高強度材料用的HGN-1、HGN-2型高能脈沖激光器，以及脈沖能量為25J，重復頻率達到 1Hz的YAG激光器及其強化生產成套設備，制定了航空部件沖擊強化工藝操作流程和質量檢查規范，并在西安藍鷹電器設備公司建立了激光沖擊強化示范生產線，為該技術在航空工業上的應用上奠定了基礎。 2008 該激光沖擊強化生產線與美國基本相當，實現了系統的集成控制，對強化過程的關鍵參數進行實時監控，脈沖工作頻率1~2Hz；研制的Nd:YAG激光器比美國同類激光器性能指標更高，用于激光沖擊強化，與美國釹玻璃（Nd:Glass）激光器效果相當。 法國針對激光沖擊強化需要，研制了Nd:YAG激光器，但該激光器沒有工業應用的成套設備，且Nd:YAG激光器能量比國內小，ASE更大。 美國對激光沖擊強化也有一個發展過程，如在初步應用的基礎上，針對激光沖擊強化技術存在的問題，美國空軍組織了LSPT、P&W、GEAE和UTC 等公司進行了多個制造技術計劃。提出了快速涂層的RapidCoater技術，研制了先進的控制和監控技術以提高其工作可靠性和可重復性，成本至少降低了 50～70％，增加產量6～9倍。國內外的研究均表明，激光沖擊強化對各種鋁合金、鎳基合金、不銹鋼、鈦合金、鑄鐵以及粉末冶金等均有良好的強化效果，除了在航空工業具有極好的應用前景外，在汽車制造、醫療衛生、海洋運輸和核工業等都有潛在的應用價值。 |
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