激光衝(chong) 擊強化技術的發展

20世紀70年代初，美國巴特爾學院（Battelle Memorial Institute）的B.P. Fairand 等人首次采用高功率脈衝(chong) 激光誘導的衝(chong) 擊波來改變7075 鋁合金的顯微結構組織，以提高其機械性能，從(cong) 此揭開了用激光衝(chong) 擊強化應用研究的序幕。

20世紀90年代，激光衝(chong) 擊強化技術得到了大力開發與(yu) 快速發展，被美國軍(jun) 方和工業(ye) 界陸續應用一些典型的戰鬥機/ 轟炸機發動機和商用客機發動機風扇/ 壓氣機葉片與(yu) 整體(ti) 葉盤上。與(yu) 此同時，世界激光衝(chong) 擊強化技術的研究與(yu) 應用人員從(cong) 2008年起每2年組織1屆國際激光衝(chong) 擊強化技術研討會(hui) ，對激光衝(chong) 擊強化的基礎理論、工藝的數值模擬、工藝的試驗驗證、由LSP條件造成的機械特性等方麵進行深入探討。這些標誌著激光衝(chong) 擊強化技術越來越得到世界的關(guan) 注。

1 在風扇/壓氣機葉片上的應用與(yu) 發展

20世紀90年代初，配裝B-1B轟炸機的F101發動機因風扇葉片斷裂引發了多次重大飛行事故。其原因，是第1級鈦合金風扇葉片前緣被吞入發動機的硬外來物打傷(shang) ，造成疲勞強度由要求的75ksi（518MPa）左右下降到20ksi（138MPa）以下，進而引發疲勞斷裂。為(wei) 了避免該類故障的發生，美國空軍(jun) 地勤人員在F101發動機每飛行25h和每天第1次飛行前對所有風扇葉片進行1次能夠發現0.127mm裂紋的精細檢查。1994年，為(wei) 了完成上述檢查和保證B-1B轟炸機安全飛行，美國空軍(jun) 花費了100多萬(wan) 維護人時和1000多萬(wan) 美元。

1994年12月，美國正式實施“高循環疲勞科技計劃”，以幫助消除飛機渦輪發動機的高循環疲勞故障。作為(wei) 該計劃的關(guan) 鍵技術，激光衝(chong) 擊強化等部件表麵處理技術得到了大力開發和驗證。同時，在美國國防部的製造技術（ManTech）研究計劃下，GE公司和激光衝(chong) 擊強化技術（LSPT）公司合作也開發激光衝(chong) 擊強化技術，以提高鈦合金風扇葉片的耐久性和降低其對外來物損傷(shang) 的敏感性。

LSPT公司首先進行了噴丸強化與(yu) 激光衝(chong) 擊強化對F101-GE-102發動機風扇葉片疲勞特性影響的比較研究[5-7]。疲勞試驗結果（見圖2）表明：基準的無損傷(shang) 的葉片在80ksi（552MPa）下在106個(ge) 循環失效；帶有凹口的未處理的葉片在20~30ksi（138~207MPa）下失效；雙強度噴丸強化的葉片的平均失效應力估算值為(wei) 35ksi(242MPa) ；高強度噴丸強化的葉片的平均失效應力估算值為(wei) 45ksi（311MPa）；而激光衝(chong) 擊強化的帶凹口的葉片的平均失效應力為(wei) 100ksi(690MPa)，高於(yu) 沒有損傷(shang) 的葉片的失效應力；甚至激光衝(chong) 擊強化的帶放電加工的凹口的葉片的平均失效應力為(wei) 75~80ksi（518~552MPa）。激光衝(chong) 擊強化部件疲勞強度改進數據也表明，與(yu) 基準的未損傷(shang) 、未處理的風扇葉片相比，有6.35mm 切口損傷(shang) 的F101 發動機風扇葉片經激光衝(chong) 擊強化後的疲勞強度等於(yu) 或高於(yu) 未受損傷(shang) 、未處理的葉片的疲勞強度。也就是說，激光衝(chong) 擊強化能夠恢複受損傷(shang) 的風扇葉片的結構完整性，保證風扇葉片連續且安全地工作，甚至有最大到6.35mm 的外來物損傷(shang) 缺陷的F101發動機風扇葉片也可以繼續使用。

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1995年，LSPT公司得到美國空軍(jun) 的批準，開始研製生產(chan) 型激光衝(chong) 擊強化係統。在解決(jue) 了激光的光學布局、係統診斷的選擇、激光箱體(ti) 與(yu) 電子箱體(ti) 的機械設計等問題後，LSPT公司成功地開發了由激光室與(yu) 處理室組成的原型生產(chan) 型激光係統。1997年，GE公司引進了LSPT公司設計與(yu) 製造的4套激光衝(chong) 擊強化係統，並開始對F101發動機第1級風扇葉片進行衝(chong) 擊強化。經過激光衝(chong) 擊強化的F101-GE-102 發動機風扇葉片的深處產(chan) 生壓縮應力（是常規噴丸衝(chong) 擊強化的4倍），阻止了裂紋的起始和擴展，實現了由目視檢查取代精細檢查，大大節省了使用與(yu) 維護費用。據報道，采用這一技術，空軍(jun) 每年可以節省1000萬(wan) 美元的替換、修理與(yu) 維護費用，並且由於(yu) 避免大約42次左右的致命性發動機故障而節省4000 萬(wan) 美元的發動機費用。

盡管取得了巨大成功，但是處理速度慢和處理費用高兩(liang) 大不足嚴(yan) 重地限製了激光衝(chong) 擊強化技術的推廣與(yu) 應用。其原因包括以下2點：

（1）塗敷和去除不透明塗層在進行激光衝(chong) 擊強化的激光強化間外麵進行，多次衝(chong) 擊就需要反複搬運，造成勞動強度大和工作時間長。

（2）圓形激光束光點的重迭麵積大（如果要實現100% 覆蓋待處理表麵，圓形激光束光點的重迭麵積要高達30%），增加了處理時間。

為(wei) 此，在ManTech研究計劃的激光衝(chong) 擊強化分研究計劃下，LSPT公司開發了耐用的預生產(chan) 型的激光衝(chong) 擊係統。LSPT公司開發並驗證了由噴塗專(zhuan) 用不透明塗覆層、覆蓋水膜、發射激光脈衝(chong) 和去除與(yu) 清潔下一次要處理的表麵4個(ge) 步驟構成的RapidCoaterTM係統，使費用減少30%~40%，處理效率提高4~6倍，並將其集成到激光強化係統中；開發了監控快速塗敷係統在零件表麵塗敷塗層質量的控製器與(yu) 監控器，以確保可靠且一致的性能；研製了減少激光束光點重疊的由圓形光點轉變為(wei) 矩形光點的專(zhuan) 門光學裝置；研製了與(yu) 塗敷工藝同步、與(yu) 激光控製係統聯接、指示控製光束形狀的光學裝置發出矩形光點的控製係統；建造了包括新的激光控製器、激光監控器、半自動強化間、激光係統的2個(ge) 經濟可承受的激光衝(chong) 擊強化間。這大大提高了工藝可靠性，降低了工藝成本，改善了激光束能量、時間分布和空間分布。

隨著技術的不斷進展，激光衝(chong) 擊強化又被推廣應用到配裝F-16A/B戰鬥機的F110-GE-100 發動機、配裝F-16C/D 的F110-GE-129 發動機、正在研製的JSF120 發動機、配裝F-15戰鬥機的F100-PW-220 發動機、配裝波音777 客機的Trent800 發動機、配裝波音787的TRENT1000發動機的風扇/壓氣機葉片上。這一技術使FOD容限提高15倍，檢驗的工時與(yu) 費用大大減少，飛行安全明顯改善。據報道，應用於(yu) F110-GE-100和F110-GE-129 發動機，為(wei) 空軍(jun) 每年節省了上百萬(wan) 美元的維護費用，並且估計避免了較多的致命性的發動機故障。到2002年，已經節省了5900萬(wan) 美元。預計，在美國空軍(jun) 機隊的壽命期內(nei) 可節省10億(yi) 美元。美國金屬表麵工程公司（MIC）公司將激光衝(chong) 擊強化技術用於(yu) 軍(jun) 民用噴氣發動機葉片以延長其疲勞壽命，不但提高了飛機發動機的安全可靠性，而且每月可節約幾百萬(wan) 美元的飛機保養(yang) 費用、節約幾百萬(wan) 美元的零件更換費用。