激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)學(xué)院：機(jī)電學(xué)院班級：12機(jī)械電子工程（師范）姓名：XXX學(xué)號：XXX—?激光沖擊概述激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)（又稱激光噴丸）（LSP）是利用強(qiáng)激光束產(chǎn)生的等離子沖擊波，提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術(shù)。它具有非接觸、無熱影響區(qū)、可控性強(qiáng)以及強(qiáng)化效果顯著等突出優(yōu)點。涂層的作用主要是保護(hù)工件不被激光灼傷并增強(qiáng)對激光能量的吸收，目前常用的涂層材料有黑漆和鋁箔等。約束層除了能約束等離子體的膨脹從而提高沖擊波的峰值壓力外，還能通過對沖擊波的反射延長其作用時間，目前常用的約束層為流水，K9玻璃?！?激光沖擊基本原理激光沖擊原理作為一種新型的表面處理工藝，是激光表面強(qiáng)化技術(shù)的一個重要分支，LSP的原理如圖1所示。高功率短脈沖激光水約束層吸收保護(hù)層專用V—約束層沖擊波圖1激光沖擊處理基本原理圖高功率短脈沖激光水約束層吸收保護(hù)層專用V—約束層沖擊波為了提高材料對激光能量的吸收率和保護(hù)材料表面不受激光熱損傷，在激光沖擊前，一般在工件的待沖擊區(qū)域涂上一層不透明的材料，稱之為吸收層，然后再覆蓋一層透明的材料，稱之為約束層。當(dāng)短脈沖（幾十ns）、高功率密度（＞9210^/的強(qiáng)激光透過約束層，作用于覆蓋材料表面的能量吸收層時，能量吸收層充分吸收激光能量，在極短時間內(nèi)企劃電離形成高溫（＞1000K）、高壓（＞1GPa）的等離子體。該等離子體迅速膨脹向外噴射。由于約束層的存在，等離子體的膨脹受到約束限制，導(dǎo)致等離子體壓力迅速升高，結(jié)果施加于靶面一個沖擊載荷，產(chǎn)生向金屬內(nèi)部傳播的強(qiáng)沖擊波。由于這種沖擊波壓力高達(dá)數(shù)千GPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的動態(tài)屈服強(qiáng)度，使材料表面產(chǎn)生塑形應(yīng)變，形成極其細(xì)小的錯位亞結(jié)構(gòu)，并是材料表面層形成很大的殘余壓應(yīng)力，從而大幅度改善材料機(jī)械性能。涂層的作用主要是保護(hù)工件不被激光灼傷并增強(qiáng)對激光能量的吸收，目前常用的涂層材料有黑漆和鋁箔等。約束層除了能約束等離子體的膨脹從而提高沖擊波的峰值壓力外，還能通過對沖擊波的反射延長其作用時間，目前最常用的約束層為流水。激光沖擊強(qiáng)化工藝特點傳統(tǒng)的表面形變強(qiáng)化工藝主要包括噴丸、滾壓和孔擠壓。孔擠壓只適合于對一般規(guī)格的孔進(jìn)行強(qiáng)化處理，而對于小孔、焊縫和盲孔等常見的應(yīng)力集中部位則不能實施；滾壓只適用于外形較簡單的外表面；噴完由于通路和可達(dá)性的困難，其應(yīng)用也受到很大限制。激光沖擊處理工藝與這些傳統(tǒng)工藝相比，具有如下優(yōu)點：（1）高壓，沖擊波的壓力達(dá)到數(shù)GPa,乃至TPa量級，這是常規(guī)的機(jī)械加工難以達(dá)到的，例如，機(jī)械沖壓的壓力常在幾十MPa至幾百MPa之間。（2）高能，激光束單脈沖能量達(dá)到幾十焦耳，峰值功率達(dá)到GW量級，在10?20ns內(nèi)將光能轉(zhuǎn)變成沖擊波機(jī)械能，實現(xiàn)了能量的高效利用。并且由于激光器的重復(fù)頻率只需幾Hz以下，整個激光沖擊系統(tǒng)的負(fù)荷僅僅30KW左右，是低能耗的加工方式。（3）超高應(yīng)變率，沖擊波作用時間僅僅幾十納秒，由于沖擊波作用時間短，應(yīng)變率達(dá)到10-10/s，這比機(jī)械沖壓高出10000倍，比爆炸成形高出100倍。（4）LSP能形成深度更深且數(shù)值更大的殘余壓應(yīng)力影響層，通過LSP獲得的殘余壓應(yīng)力影響層可達(dá)1?2mm,是噴丸的5?10倍，而其加工硬化程度明顯低于機(jī)械噴丸處理；同時可保留較好的表面形貌，激光沖擊處理后的表面不平度明顯低于機(jī)械噴丸處理。（5）LSP所用的激光參數(shù)和作用區(qū)域可以精確控制，參數(shù)也具有可重復(fù)性，可以在同一地方通過累積的形式多次強(qiáng)化，因而殘余壓應(yīng)力的大小和強(qiáng)化層的深度精確可控。（6）由于激光的可達(dá)性好，光斑大小可調(diào)，且能精確控制和定位，LSP技術(shù)能夠處理一些傳統(tǒng)工藝不能處理的部位。特別適合對小孔、倒角、焊縫和溝槽等部位進(jìn)行強(qiáng)化，甚至能對一些微米級金屬零件進(jìn)行強(qiáng)化。（7）LSP后，金屬表面留下的沖擊坑深度僅為數(shù)個微米，基本不改變被處理零部件的粗糙度。對于發(fā)動機(jī)葉片等對表面形變特別敏感的零部件，沖擊強(qiáng)化后無需后續(xù)加工。（8）激光沖擊強(qiáng)化可在室溫、空氣條件下進(jìn)行，工藝過程清潔、無污染，是一種綠色、環(huán)保的表面強(qiáng)化方法，并且處理后試樣表面的光潔度較高，特別適合對表面質(zhì)量要求較高進(jìn)行局部強(qiáng)化處理。激光沖擊強(qiáng)化的研究現(xiàn)狀國外研究發(fā)展歷程1972年，美國巴特爾學(xué)院（BattelleMemorialInstitute）的FairandB.P.等首次用高功率脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波來改變7075鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)組織以提高其機(jī)械性能，從此揭開了LSP技術(shù)應(yīng)用研究的序幕。1978年秋，該實驗室的FordS.C等與美國空軍實驗室聯(lián)合，進(jìn)行激光沖擊改善緊固件疲勞壽命的研究，結(jié)果表明LSP可大幅度提高緊固件的疲勞壽命。20世紀(jì)80年代后期，歐洲、日本、以色列等國家和地區(qū)紛紛開展了LSP的相關(guān)研究。但從公開報道的資料看，到目前為止，國際上還只有美國將LSP技術(shù)實際應(yīng)用。20世紀(jì)90年代美國利弗莫爾國家實驗室和GE,MIC公司等在美國高周疲勞研究國家計劃支持下，聯(lián)合深入開展了LSP技術(shù)的理論、工藝和設(shè)備的研究，使LSP技術(shù)獲得了很大發(fā)展，逐步走向?qū)嵱?，用于多種型號發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)和修理。其中,F110和F101發(fā)動機(jī)在使用中多次發(fā)生風(fēng)扇葉片故障，迫使F101每飛25h和F110每天第一次飛行前要做一次能夠發(fā)現(xiàn)0.127nun裂紋的精細(xì)檢查，采用LSP解決了這一問題。進(jìn)入21世紀(jì)之后，LSP技術(shù)的應(yīng)用取得了長足的進(jìn)展。美國空軍為提高LSP生產(chǎn)效率做出了很大的努力，設(shè)置了4個重要的制造技術(shù)計劃(AirForceManufacturingTechnologyProgrammes),解決了不少LSP的工業(yè)應(yīng)用問題。2002年以來，美國已將LSP大規(guī)模應(yīng)用于航空部件的制造和修理中，例如：美國MIC公司將LSP技術(shù)用于軍用和民用噴氣發(fā)動機(jī)葉片以改善其疲勞壽命，不但提高了飛機(jī)發(fā)動機(jī)的安全可靠性，而且每月可節(jié)約飛機(jī)保養(yǎng)費幾百萬美元、節(jié)約零件更換費幾百萬美元。美國預(yù)計僅僅戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)葉片的處理，就能節(jié)約成本超過10億美元。2004年，美國激光沖擊技術(shù)公司(LSPTechnologies,Inc.,LSPT)與美國空軍實驗室開展了針對F/A-22上F119發(fā)動機(jī)鈦合金損傷葉片LSP修復(fù)研究，損傷葉片經(jīng)過激光沖擊處理后，疲勞強(qiáng)度為413.7MPa,完全滿足葉片使用的設(shè)計要求379MPa,取得了巨大成功。目前，LSP技術(shù)已用于F119-PW-100發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線。近年來，國外還針對LSP技術(shù)在民用方面的應(yīng)用展開了研究。2003年LSP技術(shù)被美聯(lián)邦航空局(FAA)和日本亞細(xì)亞航空(JAA)批準(zhǔn)為飛機(jī)關(guān)鍵件維修技術(shù)。美國在2004年正式頒布了LSP操作規(guī)范，當(dāng)年這項技術(shù)還被應(yīng)用于波音777民用飛機(jī)的葉片處理。國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)從20世紀(jì)90年代開始激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究，主要進(jìn)行了理論探討和針對鋼材、鋁合金材料等的試驗研究。開展了激光沖擊強(qiáng)化研究的單位主要有中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、江蘇大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、華中理工大學(xué)、北京航空制造工程研究所、航空材料研究院、北京航空航天大學(xué)、空軍工程大學(xué)等單位。南京航空航天大學(xué)的探索研究比較早，初步驗證了激光沖擊強(qiáng)化是有作用的,在國內(nèi)具有一定開創(chuàng)性。華中理工大學(xué)對LY12鋁合金沖擊前后的試件做了疲勞實驗，并進(jìn)行了初步的微觀機(jī)理研究，表明激光沖擊強(qiáng)化使位錯密度提高21倍、表面產(chǎn)生49.43MPa的殘余壓應(yīng)力。北京航空制造工程研究所對鋁合金LY112初接試件的翎釘孔進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化實驗，表明激光沖擊強(qiáng)化能穩(wěn)定提高初接結(jié)構(gòu)疲勞壽命約80%,該所從俄羅斯引進(jìn)了可進(jìn)行單次沖擊試驗用的激光器設(shè)備，但由于俄羅斯并未專門研制激光沖擊強(qiáng)化用激光器，該激光器不能滿足工業(yè)應(yīng)用要求。90年代中期開始，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和江蘇大學(xué)對激光沖擊強(qiáng)化的研究工作比較多。中國科技大學(xué)強(qiáng)激光技術(shù)研究所研制出了國內(nèi)首臺實驗用的激光沖擊處理機(jī)，但是該設(shè)備只能單次沖擊，且可靠性不高，僅能用于實驗，不能滿足航空部件的生產(chǎn)和修理需要。江蘇大學(xué)從激光沖擊強(qiáng)化機(jī)理、涂層約束層應(yīng)用和強(qiáng)化工藝試驗等方面進(jìn)行了一系列研究，并與中國科技大學(xué)合作研制了有重復(fù)頻率的釵玻璃激光器，取得了一定的進(jìn)展，但該激光器仍不穩(wěn)定，不能長期工作，因此仍不能滿足工業(yè)應(yīng)用要求。近年來，盡管需求越來越迫切，但受設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)的限制，國內(nèi)的研究不夠活躍。針對重大的應(yīng)用要求，空軍工程大學(xué)與西安天瑞達(dá)光電技術(shù)有限公司、江蘇大學(xué)、西安藍(lán)鷹電器設(shè)備公司和鐳寶光電公司等多家單位合作，對激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的強(qiáng)化機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)、成套設(shè)備和在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用工藝進(jìn)行了大量研究，現(xiàn)已研制出適合強(qiáng)化高溫合金、鈦合金等高強(qiáng)度材料用的HGN-1、HGN-2型高能脈沖激光器，以及脈沖能量為25J,重復(fù)頻率達(dá)到1Hz的YAG激光器及其強(qiáng)化生產(chǎn)成套設(shè)備，制定了航空部件沖擊強(qiáng)化工藝操作流程和質(zhì)量檢查規(guī)范，并在西安藍(lán)鷹電器設(shè)備公司建立了激光沖擊強(qiáng)化示范生產(chǎn)線，為該技術(shù)在航空工業(yè)上的應(yīng)用上奠定了基礎(chǔ)。2006年?2007年從表面粗糙度、殘余應(yīng)力和微觀組織結(jié)構(gòu)方面研究了LSP使材料表面抗疲勞、抗腐蝕、抗打傷能力提高的機(jī)理。如圖2所示，LSP能大幅提高材料表面的殘余壓應(yīng)力，表面殘余壓應(yīng)力最高達(dá)-1190MPa左右，且殘余壓應(yīng)力的影響深度達(dá)1mm左右。殘余壓應(yīng)力的存在將改變結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力場分布，提高材料的疲勞強(qiáng)度。激光沖擊誘發(fā)的殘余壓應(yīng)力能使零件實際承受的應(yīng)力比減小，其結(jié)果將使疲勞裂紋擴(kuò)展閾值獲得提高，疲勞裂紋的擴(kuò)展速率明顯降低。殘余應(yīng)力層越深，裂紋產(chǎn)生的位置越靠近材料內(nèi)部，裂紋越不容易產(chǎn)生，材料的疲勞性能就越好。圖2裸基高溫合金LSP后殘余應(yīng)力分布2013年，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所為沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司開發(fā)了整體葉盤激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備，拉壓試驗壽命提高了30%左右。此外，空軍工程大學(xué)還進(jìn)行了低能量小光斑激光器LSP研究，研究表明：采用2.5J、光斑直徑1.2mm的激光器，可達(dá)到30J、光斑直徑5mm的激光器沖擊效果。這項試驗，對于采用低成本、技術(shù)成熟的激光器進(jìn)行LSP,突破設(shè)備瓶頸有重要意義。激光沖擊強(qiáng)化的應(yīng)用前景LSP對各種鋁合金、高溫合金、不銹鋼以及鈦合金均有良好的強(qiáng)化效果。除了在航空工業(yè)具有極好的應(yīng)用前景外，其潛在應(yīng)用還包括以下方面：1）汽車制造業(yè)。LSP技術(shù)可以使汽車制造商使用更少的材料來達(dá)到更高的強(qiáng)度，從而降低制造成本并減輕車身重量，進(jìn)而降低耗油量，對節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)意義重大；2）醫(yī)壽衛(wèi)生藍(lán)。例如對人造膝關(guān)節(jié)進(jìn)行沖擊強(qiáng)化后，使用壽命可以從以前的2?3年提高到10年，可減少手術(shù)次數(shù)，減輕病人痛苦；3）核廢料處理。由于核廢料的特殊性，需要將其密封后深埋，這就要求核廢料罐能達(dá)到上萬年的設(shè)計使用要求，而其上的焊縫是易發(fā)生腐蝕破壞的薄弱區(qū)。LSP能夠顯著提高焊縫的抗腐蝕性能。采用高腐蝕性體積分?jǐn)?shù)為60%的MgC12溶液在160。（2時浸泡試件，經(jīng)沖擊強(qiáng)化后的焊