激光衝(chong) 擊強化技術又稱激光噴丸,是一種新型有效、發展迅速的表麵改性技術。與(yu) 傳(chuan) 統機械噴丸技術相比,它能在工件表麵形成更深的殘餘(yu) 壓應力層,並且可控性強、適應性好,能夠處理難以處理的部位。目前,該技術已廣泛應用在航空發動機葉片、齒輪、核電站壓力焊縫等抗疲勞製造。隨著激光設備價(jia) 格的進一步下降,激光衝(chong) 擊強化技術將得到更廣泛的應用。

激光衝(chong) 擊強化技術工程應用廣泛

1972年,美國首次采用高功率激光誘導的衝(chong) 擊波來處理高強鋁合金,發現其表麵微觀組織發生改變,抗拉強度提高30%以上,從(cong) 此揭開了激光衝(chong) 擊強化研究的序幕。20世紀80年代後期,歐洲、日本、以色列等國家和地區紛紛開展了激光衝(chong) 擊強化技術研究。

1995年,世界上第一家激光衝(chong) 擊處理技術公司在美國創立。1997年,美國通用公司采用激光衝(chong) 擊處理技術處理飛機發動機風扇葉片,大幅提高其抗外物損傷(shang) 容限。2001年,美國激光衝(chong) 擊處理技術公司對Rolls-Royce公司的800多個(ge) 發動機進行了激光衝(chong) 擊強化處理。2004年,該公司與(yu) 美國空軍(jun) 實驗室合作,對F/A-22上的發動機鈦合金損傷(shang) 葉片進行了激光噴丸修複研究,其疲勞強度提升了兩(liang) 倍。同年,美國正式頒布了激光衝(chong) 擊處理規範,該技術被應用於(yu) 波音777的葉片處理。2012年,美國成功開發出移動式激光衝(chong) 擊處理設備,可以進入工業(ye) 現場提供實時服務。2002年,日本東(dong) 芝公司利用小型激光器處理核反應堆壓力容器和管道接頭等焊縫,提高零件的疲勞壽命。

激光衝(chong) 擊處理航空發動機整體(ti) 葉盤

國外有學者還將激光衝(chong) 擊處理技術用於(yu) 強化生物醫用金屬和合金,提高永久植入物硬度、屈服強度和疲勞壽命,降低鈣鎂合金等可降解植入物的降解速率。

國內(nei) 從(cong) 20世紀90年代開始激光衝(chong) 擊處理技術的研究,主要針對鋁合金和鋼材進行一係列試驗研究和相關(guan) 理論研討。從(cong) 1992年起,南京航空航天大學與(yu) 中國科學技術大學合作,開展了航空結構件激光衝(chong) 擊強化抗疲勞製造研究。1995年,國內(nei) 首台單次激光衝(chong) 擊實驗用的激光衝(chong) 擊強化裝置在中國科學技術大學研製成功。2008年,空軍(jun) 工程大學聯合西安光電技術發展有限公司、北京鐳寶光電技術有限公司研製成功了我國第一條連續脈衝(chong) 激光衝(chong) 擊強化生產(chan) 線。2011年,我國首套整體(ti) 葉盤激光衝(chong) 擊強化係統設備在中科院沈陽自動化研究所研製成功,並交付沈陽黎明發動機有限公司投入使用。

激光衝(chong) 擊強化的機理與(yu) 影響因素

當功率密度大於(yu) 10⁹ W/cm²、脈衝(chong) 寬度為(wei) 納秒量級的激光束輻射金屬表麵時,使能量吸收層吸收激光能量並發生爆炸性氣化蒸發,產(chan) 生高溫(>10⁷ K)、高壓(>1GPa)的等離子體(ti) 層。激光衝(chong) 擊強化利用了高壓等離子層施加在靶材上衝(chong) 擊載荷所產(chan) 生的向材料內(nei) 部傳(chuan) 播的強衝(chong) 擊波。

激光衝(chong) 擊強化機理示意圖

目前使用的約束層材料主要有K9光學玻璃、有機玻璃和水流層等。玻璃類材料約束層效果最好,但是適應性差,會(hui) 發生碎裂,僅(jin) 適用於(yu) 單次激光衝(chong) 擊處理。一般激光衝(chong) 擊試驗及工業(ye) 應用采用水流層作為(wei) 約束層,其具有適用性強、成本低、操作方便、無需更換等優(you) 點。除了少部分激光衝(chong) 擊處理過程不使用能量吸收層外,絕大部分需要使用能量吸收層。常用的能量吸收層主要為(wei) 黑漆、鋁箔和黑膠帶等汽化熱低的材料。黑漆適用性較好,可以用於(yu) 溝槽、小孔等處的激光衝(chong) 擊強化處理,但是衝(chong) 擊完成後不便於(yu) 去除,因此一般選用鋁箔和黑膠帶作為(wei) 能量吸收層。

影響激光衝(chong) 擊強化效果的因素很多,主要有材料特性、約束層、能量吸收層、激光衝(chong) 擊參數等。如果激光功率密度不變,激光的脈衝(chong) 寬度越長,那麽(me) 激光衝(chong) 擊波作用材料的時間也越長,激光衝(chong) 擊處理效果越好。然而,激光的脈衝(chong) 寬度過大極易造成被衝(chong) 擊處理材料的表麵燒損現象。隻有根據材料特性選擇合理的約束層、能量吸收層及激光衝(chong) 擊參數等工藝參數,才能得到較好的強化效果。

激光衝(chong) 擊強化數值模擬

數值模擬有助於(yu) 獲得特定應用場合最優(you) 的工藝參量,已逐漸成為(wei) 研究激光衝(chong) 擊強化的重要手段。國內(nei) 外學者針對激光衝(chong) 擊強化的建模及其優(you) 化做了大量的研究工作。目前業(ye) 界在顯式動態分析+隱式靜態分析激光衝(chong) 擊強化數值模擬法,以及基於(yu) 本征應變的激光衝(chong) 擊強化數值模擬法等方麵都取得了長足進展。

當高壓等離子層衝(chong) 擊靶材後,衝(chong) 擊區域材料發生高應變率塑性變形,結構響應變化非常快,是一個(ge) 高度非線性的高速動力學問題。如果采用隱式有限元算法求解這類問題,不僅(jin) 需要很大的計算量和存儲(chu) 量,而且計算收斂困難。需要采用顯式有限元分析方法來求解等離子衝(chong) 擊產(chan) 生的應力波。特別是綜合采用顯式、隱式有限元分析方法,進行衝(chong) 擊波作用下材料動態響應過程的數值模擬,有利於(yu) 獲得準確的殘餘(yu) 應力場預測結果。

采用單點激光衝(chong) 擊殘餘(yu) 應力計算及疊加方法對大麵積區域的多點搭接激光衝(chong) 擊進行模擬計算時,總的計算量往往非常巨大,需要花費大量的時間才能得到試件的殘餘(yu) 應力場。此外,由於(yu) 工件幾何尺寸對殘餘(yu) 應力場的影響較大,采用應力疊加的方法難以準確模擬形狀複雜曲麵的真實構件多點搭接激光衝(chong) 擊強化的殘餘(yu) 應力場。

為(wei) 了有效解決(jue) 這兩(liang) 方麵的問題,一些研究者建立了基於(yu) 本征應變的數值模型來進行激光衝(chong) 擊強化殘餘(yu) 應力場的模擬。該模型認為(wei) 激光衝(chong) 擊在構件表層形成的本征應變對構件幾何形狀不敏感,模擬過程隻關(guan) 注激光衝(chong) 擊誘導的塑性應變,通過本征應變疊加來獲得構件大麵積多點激光衝(chong) 擊的應變場,並采用一個(ge) 熱彈性模型來獲得最後的殘餘(yu) 應力場和塑性變形。

近幾年,國內(nei) 外相關(guan) 學者將該模型用於(yu) 不同複雜構件激光衝(chong) 擊強化殘餘(yu) 應力場的數值模擬。采用這種本征應變模型相比傳(chuan) 統模型的計算效率大大提高,建立的模型能有效預測激光衝(chong) 擊誘導的殘餘(yu) 應力場。

作者簡介： 石偉(wei) ,男,工學博士,清華大學機械工程係副教授。主要研究領域為(wei) 金屬材料組織應力控製,熱處理數值模擬,製造係統仿真優(you) 化。負責與(yu) 承擔國家國際科技合作項目、國家自然科學基金麵上項目,重點研發計劃項目、973計劃項目、“十一五”國家科技支撐計劃項目課題。與(yu) 企業(ye) 合作完成多項熱加工工藝模擬與(yu) 工藝優(you) 化項目。獲得教育部科學技術進步二等獎1項、北京市教育教學成果(高等教育)二等獎1項。