激光冲击强化技术的发展

　　20世纪70年代初，美国巴特尔学院（Battelle Memorial Institute）的B.P. Fairand 等人首次采用高功率脉冲激光诱导的冲击波来改变7075 铝合金的显微结构组织，以提高其机械性能，从此揭开了用激光冲击强化应用研究的序幕。

　　20世纪90年代，激光冲击强化技术得到了大力开发与快速发展，被美国军方和工业界陆续应用一些典型的战斗机/ 轰炸机发动机和商用客机发动机风扇/ 压气机叶片与整体叶盘上。与此同时，世界激光冲击强化技术的研究与应用人员从2008年起每2年组织1届国际激光冲击强化技术研讨会，对激光冲击强化的基础理论、工艺的数值模拟、工艺的试验验证、由LSP条件造成的机械特性等方面进行深入探讨。这些标志着激光冲击强化技术越来越得到世界的关注。

　　1 在风扇/压气机叶片上的应用与发展

　　20世纪90年代初，配装B-1B轰炸机的F101发动机因风扇叶片断裂引发了多次重大飞行事故。其原因，是第1级钛合金风扇叶片前缘被吞入发动机的硬外来物打伤，造成疲劳强度由要求的75ksi（518MPa）左右下降到20ksi（138MPa）以下，进而引发疲劳断裂。为了避免该类故障的发生，美国空军地勤人员在F101发动机每飞行25h和每天第1次飞行前对所有风扇叶片进行1次能够发现0.127mm裂纹的精细检查。1994年，为了完成上述检查和保证B-1B轰炸机安全飞行，美国空军花费了100多万维护人时和1000多万美元。

　　1994年12月，美国正式实施“高循环疲劳科技计划”，以帮助消除飞机涡轮发动机的高循环疲劳故障。作为该计划的关键技术，激光冲击强化等部件表面处理技术得到了大力开发和验证。同时，在美国国防部的制造技术（ManTech）研究计划下，GE公司和激光冲击强化技术（LSPT）公司合作也开发激光冲击强化技术，以提高钛合金风扇叶片的耐久性和降低其对外来物损伤的敏感性。

　　LSPT公司首先进行了喷丸强化与激光冲击强化对F101-GE-102发动机风扇叶片疲劳特性影响的比较研究。疲劳试验结果（见图2）表明：基准的无损伤的叶片在80ksi（552MPa）下在106个循环失效；带有凹口的未处理的叶片在20~30ksi（138~207MPa） 下失效；双强度喷丸强化的叶片的平均失效应力估算值为35ksi(242MPa) ；高强度喷丸强化的叶片的平均失效应力估算值为45ksi（311MPa）；而激光冲击强化的带凹口的叶片的平均失效应力为100ksi(690MPa)，高于没有损伤的叶片的失效应力；甚至激光冲击强化的带放电加工的凹口的叶片的平均失效应力为75~80ksi（518~552MPa）。激光冲击强化部件疲劳强度改进数据也表明，与基准的未损伤、未处理的风扇叶片相比，有6.35mm 切口损伤的F101 发动机风扇叶片经激光冲击强化后的疲劳强度等于或高于未受损伤、未处理的叶片的疲劳强度。也就是说，激光冲击强化能够恢复受损伤的风扇叶片的结构完整性，保证风扇叶片连续且安全地工作，甚至有最大到6.35mm 的外来物损伤缺陷的F101发动机风扇叶片也可以继续使用。