助力航天制造中国激光冲击强化技术世界第二

2013-07-09 00:04

　　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%。

　　（5）激光冲击强化能够提高高温下残余应力的稳定性。高温对激光冲击强化处理的Ti8Al1V1Mo残余应力释放的影响。结果表明在高温下暴露4h后，其残余应力没有恢复。INCONEL718、Ti6Al4V 等其他一些材料在激光冲击强化处理后也呈现相似的结果。

　　（6）激光冲击强化能够明显延长部件的高循环疲劳强度，如图1 所示。

　　（7）激光冲击强化应用范围宽。其不仅对各种铝合金、镍基合金、不锈钢、钛合金、铸铁以及粉末冶金等均有良好的强化效果，还可以利用激光束的精确定位处理一些受几何形状约束而无法进行喷丸处理的部位（如小槽、小孔和轮廓线等）。因而，该技术广泛应用于航空工业、汽车制造、医疗卫生、海洋运输和核工业等领域。

　　（8）激光冲击处理能对表面局部区域进行冲击强化且可在空气中直接进行，因而具有对工件尺寸、形状及所处环境适应性强，工艺过程简单，控制方便且灵活等特点。