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助力航天制造 中国激光冲击强化技术世界第二

  ——激光冲击强化(Laser shock peening,LSP)是近几年发展起来的一种新型表面强化技术,目前在美国已广泛应用于航空发动机关键结构件的表面强化。该技术已成为先进发动机叶片强化的必选技术之一。它的应用大幅度提高了构件的抗疲劳寿命,在航空、航天、石油、核电、汽车等领域有着广泛的应用前景。

  由西安天瑞达光电技术发展有限公司和陕西蓝鹰航空电器有限公司共同承建的中国第一条激光冲击强化生产线,2008年在西安阎良国家航空高技术产业基地建成。这标志着中国激光冲击强化技术向工程化应用迈出了重要一步,使中国成为继美国之后世界上第二个可实现该项技术工业化应用的国家。

  同时,由空军工程大学、西安天瑞达光电技术发展有限公司和北京镭宝激光技术有限公司共同研制的“激光冲击强化成套设备及关键技术”,也于通过了国家权威鉴定委员会的技术成果鉴定,这些都标志着中国激光冲击强化应用技术取得了重大突破。

  激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波,提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。它与现有的冷挤压、喷丸等金融材料表面强化手段相比,具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。

激光冲击强化加工金属表面

  激光冲击强化技术在美国航空装备制造与维修以及其他装备制造业正得到广泛的应用。美国GE公司已经用此项技术为美国空军强化了数万件航空部件,据美国国防部估计,在美国空军现有飞机寿命期内,用激光冲击强化可节约60亿美元的维修成本。2004年,美国还为F22战斗机建设了价值2亿美元的激光冲击强化生产线。

  此次中国激光冲击强化应用技术取得重大突破,对解决中国飞机发动机疲劳断裂问题、提高其可靠性将具有重大的意义。

  一、中国突破发动机整体叶盘激光冲击强化等多项技术

  精确的“光爆炸”优良的“免疫力”

  该技术是利用高峰值功率密度(>109W/cm2)的脉冲激光透过约束层后作用于金属靶材表面的吸收层上,产生受约束的高压(>1GPa)等离子体,产生的冲击波使金属材料表层产生塑性变形,获得表面残余压应力,从而提高结构疲劳性能。激光冲击强化是激光加工中峰值功率最高的,产生的等离子体相当于在材料表面产生小爆炸,但由于作用时间极短(纳秒量级),热作用仅在吸收层几微米深度,对待强化构件是一种冲击波作用的冷加工,可以获得光滑的微米级凹陷、毫米级残余压应力层。相比喷丸而言,激光冲击强化可以获得更深的残余压应力层,更光滑的表面,更易于精确控制。对发动机钛合金叶片而言,一旦叶片边缘因外物破坏形成缺口,其疲劳强度急剧减低,而激光冲击强化获得的残余压应力层能很好阻止或者延缓裂纹萌生,提高结构的疲劳寿命和安全性,相当于在关键结构关键部位获得“免疫力”。激光冲击强化在不改变设计的基础上能很好提高其疲劳性能,在叶片边缘、孔槽结构、焊接结构、转接R等关键部位均有很好的应用价值。

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