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激光冲击强化技术在航空领域发展与应用

导读: 激光冲击强化(Laser Shock Peening,LSP) 技术是利用强脉冲激光产生的冲击波,从部件表面引入残余压应力的一种革新且最热门的表面强化技术。

  激光冲击强化(Laser Shock Peening,LSP) 技术是利用强脉冲激光产生的冲击波,从部件表面引入残余压应力的一种革新且最热门的表面强化技术。该技术在部件表面形成的残余压应力深度比常规喷丸强化处理的深5~10倍,具有提高抗疲劳强度、延长疲劳寿命、抑制裂纹的形成与扩展、提高抗微动疲劳/抗磨损/ 抗应力腐蚀断裂特性等特点。经过多年的开发与研究,美国于1997年将激光冲击强化技术成功应用于航空发动机风扇/ 压气机叶片,大幅度地提高了其抗外物损伤能力和高循环疲劳性能,并且于1998年美国研发杂志评为全美100项最重要的先进技术之一,被美国军方认定为第4代战斗机发动机的80项关键技术之一。2003年以来,该技术又应用到F119发动机等第4代战斗机发动机高压压气机整体叶盘上,目前正在研究应用于包括激光难以进入区域的航空发动机轮盘等部件上。

  激光冲击强化技术原理与特点

  激光冲击强化技术的原理,是采用短脉冲(几十纳秒)的强激光辐射金属部件表面涂覆的约束层(如流动的水等),并通过约束层作用于金属表面涂覆的不透明涂覆层(如黑漆或胶带),涂覆层吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发,蒸发的气体吸收剩余的激光产生快速膨胀的等离子流,限定在部件表面与约束层间的等离子流产生急速增大的高压冲击波,冲击波产生的“冷作用”作用于金属表面并向内传播,形成由塑性变形引发的残余压应力。当冲击波的峰值压力超过被处理材料动态屈服强度时,材料表层不产生应变硬化,残留很大应力,同时微观组织发生很大的变化,显著提高材料的抗疲劳、耐磨损和防应力腐蚀特性。

  虽然与常规喷丸强化类似,激光冲击强化技术也是通过在金属部件的表面产生有益的残余压应力提高部件的抗疲劳与耐损伤特性,但是由于引入残余压应力的方法不同,激光冲击强化技术处理的部件明显优于常规喷丸强化处理的部件。

  (1)激光冲击强化一般采用钕玻璃、YAG 及红宝石的高功率脉冲式激光器。所产生激光的波长为1.054μm,脉冲宽度为8~40ns,脉冲能量达50J,激光点直径为5~6mm,功率密度为5~10GW/cm2,这是常规的机械加工难以达到的。

  (2)激光冲击强化主要利用高压力效应,具有无渗入或沉积污染、非接触、无热影响区及强化效果显著等特点。

  (3)激光冲击强化后部件的表面硬度通常比常规处理方法的高10%~50%,可以获得极细的硬化层组织;硬化层深度通常为1~1.5mm,明显深于利用喷丸强化处理的部件的硬化层深度。

  (4)激光冲击强化能够使部件的疲劳寿命明显延长和抗疲劳强度提高。激光冲击强化处理和喷丸强化处理的7075 - T7351铝试样试验结果表明,激光冲击强化处理后部件的疲劳寿命延长1个量级,抗疲劳强度提高30%~50%。

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