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沈阳自动化研究所建工程实验室:激光冲击强化和3D打印

  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。

  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。

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