助力航天制造 中国激光冲击强化技术世界第二
1995年,LSPT公司得到美国空军的批准,开始研制生产型激光冲击强化系统。在解决了激光的光学布局、系统诊断的选择、激光箱体与电子箱体的机械设计等问题后,LSPT公司成功地开发了由激光室与处理室组成的原型生产型激光系统。1997年,GE公司引进了LSPT公司设计与制造的4套激光冲击强化系统,并开始对F101发动机第1级风扇叶片进行冲击强化。经过激光冲击强化的F101-GE-102 发动机风扇叶片的深处产生压缩应力(是常规喷丸冲击强化的4倍),阻止了裂纹的起始和扩展,实现了由目视检查取代精细检查,大大节省了使用与维护费用。据报道,采用这一技术,空军每年可以节省1000万美元的替换、修理与维护费用,并且由于避免大约42次左右的致命性发动机故障而节省4000 万美元的发动机费用。
尽管取得了巨大成功,但是处理速度慢和处理费用高两大不足严重地限制了激光冲击强化技术的推广与应用。其原因包括以下2点:
(1)涂敷和去除不透明涂层在进行激光冲击强化的激光强化间外面进行,多次冲击就需要反复搬运,造成劳动强度大和工作时间长。
(2)圆形激光束光点的重迭面积大(如果要实现100% 覆盖待处理表面,圆形激光束光点的重迭面积要高达30%),增加了处理时间。
为此,在ManTech研究计划的激光冲击强化分研究计划下,LSPT公司开发了耐用的预生产型的激光冲击系统。LSPT公司开发并验证了由喷涂专用不透明涂覆层、覆盖水膜、发射激光脉冲和去除与清洁下一次要处理的表面4个步骤构成的RapidCoaterTM系统,使费用减少30%~40%,处理效率提高4~6倍,并将其集成到激光强化系统中;开发了监控快速涂敷系统在零件表面涂敷涂层质量的控制器与监控器,以确保可靠且一致的性能;研制了减少激光束光点重叠的由圆形光点转变为矩形光点的专门光学装置;研制了与涂敷工艺同步、与激光控制系统联接、指示控制光束形状的光学装置发出矩形光点的控制系统;建造了包括新的激光控制器、激光监控器、半自动强化间、激光系统的2个经济可承受的激光冲击强化间。这大大提高了工艺可靠性,降低了工艺成本,改善了激光束能量、时间分布和空间分布。
随着技术的不断进展,激光冲击强化又被推广应用到配装F-16A/B战斗机的F110-GE-100 发动机、配装F-16C/D 的F110-GE-129 发动机、正在研制的JSF120 发动机、配装F-15战斗机的F100-PW-220 发动机、配装波音777 客机的Trent800 发动机、配装波音787的TRENT1000发动机的风扇/压气机叶片上。这一技术使FOD容限提高15倍,检验的工时与费用大大减少,飞行安全明显改善。据报道,应用于F110-GE-100和F110-GE-129 发动机,为空军每年节省了上百万美元的维护费用,并且估计避免了较多的致命性的发动机故障。到2002年,已经节省了5900万美元。预计,在美国空军机队的寿命期内可节省10亿美元。美国金属表面工程公司(MIC)公司将激光冲击强化技术用于军民用喷气发动机叶片以延长其疲劳寿命,不但提高了飞机发动机的安全可靠性,而且每月可节约几百万美元的飞机保养费用、节约几百万美元的零件更换费用。
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