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2008年11月30 此次中國(guó)激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用技術(shù)取得重大突破，對(duì)解決中國(guó)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)疲勞斷裂問(wèn)題、提高其可靠性將具有重大的意義。 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)簡(jiǎn)介 飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)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(lái)改善金屬表面性能。利用強(qiáng)激光誘導(dǎo)沖擊波來(lái)強(qiáng)化金屬表面的新技術(shù)稱(chēng)為激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)LSP），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(guó)研發(fā)雜志評(píng)為全美100項(xiàng)最重要的先進(jìn)技術(shù)之一。美國(guó)上世紀(jì)90年代后期開(kāi)始的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高頻疲勞研究計(jì)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(guó)國(guó)防制造最高成就獎(jiǎng)。美國(guó)將該技術(shù)列為第四代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一，足見(jiàn)該項(xiàng)技術(shù)的重大價(jià)值。 當(dāng)短脈沖(幾十納秒內(nèi))的高峰值功率密度( )的激光輻射金屬表面時(shí)，金屬表面吸收層（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(shí)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(cuò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，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。 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)和其它表面強(qiáng)化技術(shù)相比較，具有如下鮮明特點(diǎn)：（1）高壓，沖擊波的壓力達(dá)到數(shù)GPa，乃至TPa 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)最初開(kāi)發(fā)于20世紀(jì)70年代初的美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室，我國(guó)著名物理學(xué)家錢(qián)臨照教授早在60年代也提出過(guò)這方面的思想。1972年，美國(guó)巴特爾學(xué)院（Battelle Memorial Institute）的Fairand B.P.等人首次用高功率脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波來(lái)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(kāi)了用激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用研究的序幕。1978 年秋，該實(shí)驗(yàn)室的Ford S.C等人與美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)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(shí)由于缺少可靠的、高脈沖頻率的大功率激光器而未能實(shí)用化。 上世紀(jì)80 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(zhǎng)足的進(jìn)展。美國(guó)空軍為提高激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)效率做出了很大的努力，設(shè)置了4個(gè)重要的制造技術(shù)計(jì)劃(Air Force Manufacturing Technology Programmes)，取得了許多重要進(jìn)展，解決了提高激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)效率和可移動(dòng)式生產(chǎn)等工業(yè)應(yīng)用問(wèn)題。2002年以來(lái)，美國(guó)已將激光沖擊強(qiáng)化大規(guī)模用于航空部件的制造和修理中，例如，美國(guó)MIC公司將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)用于軍民用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片以改善其疲勞壽命，不但提高了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠性，而且每月可節(jié)約飛機(jī)保養(yǎng)費(fèi)幾百萬(wàn)美元、節(jié)約零件更換費(fèi)幾百萬(wàn)美元。美國(guó)預(yù)計(jì)僅僅戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的處理，就能節(jié)約成本超過(guò)10億美元。2003年，美聯(lián)邦航空局（FAA）和日本亞細(xì)亞航空（JAA）將激光沖擊強(qiáng)化批準(zhǔn)為飛機(jī)關(guān)鍵件維修技術(shù)，當(dāng)年這項(xiàng)技術(shù)即被用于波音777飛機(jī)的零部件處理。 2004 年，美國(guó)激光沖擊技術(shù)公司（LSP Technologies, Inc., LSPT）與美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了F/A-22上F119發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金損傷葉片激光沖擊強(qiáng)化修復(fù)研究，對(duì)具有微裂紋、疲勞強(qiáng)度不夠的損傷葉片，經(jīng)過(guò)激光沖擊處理后，疲勞強(qiáng)度為413.7MPa，完全滿(mǎn)足葉片使用的設(shè)計(jì)要求379MPa，取得了巨大成功。此外，對(duì)葉片楔形根部進(jìn)行激光沖擊處理后，其微動(dòng)疲勞壽命至少提高25倍以上。目前，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)已大量用于F119-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)等部件的生產(chǎn)。LSP公司還提出了對(duì)飛機(jī)蒙皮鉚接結(jié)構(gòu)強(qiáng)化的專(zhuān)利，應(yīng)用可移動(dòng)激光設(shè)備在飛機(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉚接后的鉚釘及其周?chē)鷱?qiáng)化，效果明顯。 從2005年開(kāi)始美國(guó)又將激光沖擊強(qiáng)化逐步擴(kuò)大到大型汽輪機(jī)、水輪機(jī)葉片以及石油管道、汽車(chē)關(guān)鍵零部件等的處理。據(jù)報(bào)道僅石油管道焊縫的處理就能達(dá)到10億美元以上的收益。 中國(guó)激光沖擊強(qiáng)化研究 國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究，主要進(jìn)行了理論探討和針對(duì)鋼材、鋁合金材料等的試驗(yàn)研究。開(kāi)展了激光沖擊強(qiáng)化研究的單位主要有中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、江蘇大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、華中理工大學(xué)、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(xué)、空軍工程大學(xué)等單位。 南京航空航天大學(xué)的探索研究比較早，初步驗(yàn)證了激光沖擊強(qiáng)化是有作用的，在國(guó)內(nèi)具有一定開(kāi)創(chuàng)性。華中理工大學(xué)對(duì)LY12鋁合金沖擊前后的試件做了疲勞實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了初步的微觀機(jī)理研究，表明激光沖擊強(qiáng)化使位錯(cuò)密度提高21倍、表面產(chǎn)生49.43MPa的殘余壓應(yīng)力。北京航空制造工程研究所對(duì)鋁合金LY112鉚接試件的鉚釘孔進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)，表明激光沖擊強(qiáng)化能穩(wěn)定提高鉚接結(jié)構(gòu)疲勞壽命約80%，該所從俄羅斯引進(jìn)了可進(jìn)行單次沖擊試驗(yàn)用的激光器設(shè)備，但由于俄羅斯并未專(zhuān)門(mén)研制激光沖擊強(qiáng)化用激光器，該激光器不能滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用要求。 90 近年來(lái)，盡管需求越來(lái)越迫切，但受設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)的限制，國(guó)內(nèi)的研究不夠活躍。針對(duì)重大的應(yīng)用要求，空軍工程大學(xué)與西安天瑞達(dá)光電技術(shù)有限公司、江蘇大學(xué)、西安藍(lán)鷹電器設(shè)備公司和鐳寶光電公司等多家單位合作，對(duì)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的強(qiáng)化機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)、成套設(shè)備和在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用工藝進(jìn)行了大量研究，現(xiàn)已研制出適合強(qiáng)化高溫合金、鈦合金等高強(qiáng)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(fù)頻率達(dá)到 1Hz的YAG激光器及其強(qiáng)化生產(chǎn)成套設(shè)備，制定了航空部件沖擊強(qiáng)化工藝操作流程和質(zhì)量檢查規(guī)范，并在西安藍(lán)鷹電器設(shè)備公司建立了激光沖擊強(qiáng)化示范生產(chǎn)線(xiàn)，為該技術(shù)在航空工業(yè)上的應(yīng)用上奠定了基礎(chǔ)。 2008 該激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)線(xiàn)與美國(guó)基本相當(dāng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成控制，對(duì)強(qiáng)化過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，脈沖工作頻率1~2Hz；研制的Nd:YAG激光器比美國(guó)同類(lèi)激光器性能指標(biāo)更高，用于激光沖擊強(qiáng)化，與美國(guó)釹玻璃（Nd:Glass）激光器效果相當(dāng)。 法國(guó)針對(duì)激光沖擊強(qiáng)化需要，研制了Nd:YAG激光器，但該激光器沒(méi)有工業(yè)應(yīng)用的成套設(shè)備，且Nd:YAG激光器能量比國(guó)內(nèi)小，ASE更大。 美國(guó)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化也有一個(gè)發(fā)展過(guò)程，如在初步應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對(duì)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)存在的問(wèn)題，美國(guó)空軍組織了LSPT、P&W、GEAE和UTC 等公司進(jìn)行了多個(gè)制造技術(shù)計(jì)劃。提出了快速涂層的RapidCoater技術(shù)，研制了先進(jìn)的控制和監(jiān)控技術(shù)以提高其工作可靠性和可重復(fù)性，成本至少降低了 50～70％，增加產(chǎn)量6～9倍。國(guó)內(nèi)外的研究均表明，激光沖擊強(qiáng)化對(duì)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(qiáng)化效果，除了在航空工業(yè)具有極好的應(yīng)用前景外，在汽車(chē)制造、醫(yī)療衛(wèi)生、海洋運(yùn)輸和核工業(yè)等都有潛在的應(yīng)用價(jià)值。 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