核心提示：2021年3月底，沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所承擔(dān)的上海飛機(jī)制造有限公司“激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)”項(xiàng)目通過(guò)了驗(yàn)收。

　　激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)最初開發(fā)于20世紀(jì)70年代初的美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室，我國(guó)著名物理學(xué)家錢臨照教授早在60年代也提出過(guò)這方面的思想。1972年，美國(guó)巴特爾學(xué)院的Fairand B.P.等人首次用高功率脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波來(lái)改變7075鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)組織以提高其機(jī)械性能，從此揭開了用激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用研究的序幕。

　　國(guó)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(duì)鋼材、鋁合金材料等的試驗(yàn)研究。開展了激光沖擊強(qiáng)化研究的單位主要有中國(guó)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。

　　2021年3月底，沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所承擔(dān)的上海飛機(jī)制造有限公司“激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)”項(xiàng)目通過(guò)了驗(yàn)收。驗(yàn)收專家及設(shè)備使用人員一同對(duì)設(shè)備進(jìn)行了相關(guān)指標(biāo)項(xiàng)檢測(cè)和應(yīng)用測(cè)試。在典型件的加工測(cè)試中，經(jīng)檢測(cè)激光沖擊強(qiáng)化后，試驗(yàn)件材料表面硬度提高15%以上，表面殘余應(yīng)力大于150MPa，均優(yōu)于系統(tǒng)指標(biāo)要求。該激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，達(dá)到了合同要求與預(yù)期目標(biāo)，一致同意項(xiàng)目通過(guò)驗(yàn)收。

　　激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)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(wú)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(diǎn)。涂層的作用主要是保護(hù)工件不被激光灼傷并增強(qiáng)對(duì)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(guò)對(duì)沖擊波的反射延長(zhǎng)其作用時(shí)間，目前常用的約束層為流水，K9玻璃。

　　通過(guò)高功率密度(GW/cm量級(jí))、短脈沖(10～30ns量級(jí))的激光通過(guò)透明約束層作用于金屬表面所涂覆的能量吸收涂層時(shí)，涂層吸收激光能量迅速氣化并幾乎同時(shí)形成大量稠密的高溫(>10 K)、高壓(>1GPa)等離子體。該等離子體繼續(xù)吸收激光能量急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強(qiáng)度沖擊波作用于金屬表面。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過(guò)材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，材料發(fā)生塑性變形并在表層產(chǎn)生垂直于材料表面的壓應(yīng)力。

　　激光作用結(jié)束后，由于沖擊區(qū)域周圍材料的反作用，其力學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為材料表面獲得較高的殘余壓應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力會(huì)降低交變載荷中的拉應(yīng)力水平，使平均應(yīng)力水平下降，從而提高疲勞裂紋萌生壽命。同時(shí)殘余壓應(yīng)力的存在，可引起裂紋的閉合效應(yīng)，從而有效降低疲勞裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，延長(zhǎng)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。

　　飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)大量采用金屬材料，金屬材料的主要失效形式疲勞和腐蝕均始于材料表面，所以金屬材料表面的結(jié)構(gòu)和性能直接影響著材料的綜合性能。為此，人們采用噴丸、滾壓、內(nèi)擠壓等多種表面強(qiáng)化工藝來(lái)改善金屬表面性能。利用強(qiáng)激光誘導(dǎo)沖擊波來(lái)強(qiáng)化金屬表面的新技術(shù)稱為激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)(簡(jiǎn)稱LSP)，由于其表面強(qiáng)化效果好，自產(chǎn)生之日起就得到了廣泛的關(guān)注和研究。

　　1998年該技術(shù)被美國(guó)研發(fā)雜志評(píng)為全美100項(xiàng)較為重要的先進(jìn)技術(shù)之一。美國(guó)上世紀(jì)90年代后期開始的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高頻疲勞研究計(jì)劃中，將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)列為工藝技術(shù)措施首位。2005年，研制激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)的MIC公司獲美國(guó)國(guó)防制造最高成就獎(jiǎng)。美國(guó)將該技術(shù)列為第四代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一，足見該項(xiàng)技術(shù)的重大價(jià)值。

　　當(dāng)短脈沖(幾十納秒內(nèi))的高峰值功率密度( )的激光輻射金屬表面時(shí)，金屬表面吸收層(涂覆層)吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓(GPa)等離子體，該等離子體受到約束層的約束爆炸時(shí)產(chǎn)生高壓沖擊波，作用于金屬表面并向內(nèi)部傳播。在材料表層形成密集、穩(wěn)定的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，使材料表層產(chǎn)生應(yīng)變硬化，殘留很大的壓應(yīng)力，顯著的提高材料的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕等性能，這就是激光沖擊強(qiáng)化。

　　激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)和其它表面強(qiáng)化技術(shù)相比較，具有如下鮮明特點(diǎn)：

　　(1)高壓，沖擊波的壓力達(dá)到數(shù)GPa，乃至TPa量級(jí)，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M(fèi)Pa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(jí)，在10～20ns內(nèi)將光能轉(zhuǎn)變成沖擊波機(jī)械能，實(shí)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(gè)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(shí)間僅僅幾十納秒，由于沖擊波作用時(shí)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。

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