長(zhǎng)久以來(lái)，材料增強(qiáng)一直處于技術(shù)創(chuàng)新的前沿。強(qiáng)大的機(jī)器設(shè)備需要強(qiáng)大的組件，但材料限制對(duì)性能優(yōu)化造成了關(guān)鍵性的障礙。激光沖擊強(qiáng)化（LSP，也稱激光噴丸技術(shù)）居于材料增強(qiáng)工藝的最前沿，這種工藝采用高能激光器將殘余壓應(yīng)力植入零件的關(guān)鍵部位，以此提高金屬材料的抗疲勞性。
激光噴丸工藝被航空和發(fā)電行業(yè)的原始設(shè)備制造商（OEMs）所采用，旨在改善其產(chǎn)品因磨損、腐蝕、異物損傷和疲勞等原因引發(fā)的抗裂性能。如今，經(jīng)過(guò)近五十年的技術(shù)進(jìn)展，第一批交鑰匙工業(yè)激光噴丸系統(tǒng)正將該技術(shù)整合到世界各地的制造工廠內(nèi)。
技術(shù)起源
作為一種金屬改進(jìn)工藝的激光噴丸技術(shù)是于20世紀(jì)70年代在位于美國(guó)俄亥俄州哥倫布市的巴特爾紀(jì)念研究所（Battelle Memorial Institute）誕生的。當(dāng)時(shí)，研究所的研究人員在Jeff Dulaney博士的帶領(lǐng)下，積極探索是否可以使用高能、短脈沖激光器來(lái)改善材料特性。他們最初發(fā)現(xiàn)，使用1.2-2.2GW / cm2，32ns的高斯脈沖對(duì)7075鋁合金試件加工后，顯著提高了其拉伸強(qiáng)度。研究所使用的激光器的能量輸出高達(dá)500J，但是該系統(tǒng)超過(guò)15m長(zhǎng)的尺寸以及較慢的脈沖速率（每6-8分鐘一個(gè)脈沖）使其在工業(yè)材料加工中變得非常不實(shí)用。
到了20世紀(jì)80年代，巴特爾研究所的工程師和科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)和制造了一個(gè)用于激光噴丸工藝的先進(jìn)的原型系統(tǒng)。大功率系統(tǒng)將長(zhǎng)脈沖閃光燈與高重復(fù)率的振蕩器結(jié)合在一起，從而將先前笨重的單脈沖激光器轉(zhuǎn)換為在1Hz頻率條件下工作的200kW脈沖激光器。
20世紀(jì)90年代初，美國(guó)空軍遭遇了B-1“槍騎兵（Lancer）”配備的通用電氣（GE）F101發(fā)動(dòng)機(jī)中異物損壞（FOD）的問(wèn)題。 GE需要一種創(chuàng)新的材料增強(qiáng)解決方案來(lái)緩解這一異物損壞困擾，并與巴特爾研究所展開(kāi)合作，共同探索激光噴丸處理F101風(fēng)機(jī)葉片的優(yōu)勢(shì)。
巴特爾研究所的科學(xué)家加工樣品并對(duì)其進(jìn)行疲勞試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，具有模擬FOD損傷的經(jīng)激光噴丸處理的風(fēng)機(jī)葉片的疲勞壽命要優(yōu)于新型、無(wú)損傷葉片的疲勞壽命。這是一個(gè)具有里程碑意義的結(jié)果，因?yàn)槊绹?guó)空軍此前已投入大量資源，在每次飛行前對(duì)所有F101第一級(jí)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行艱苦的人工檢查。
在B-1“槍騎兵”的使用壽命期間，由于潛在節(jié)省了數(shù)以百萬(wàn)美元的成本，美國(guó)空軍授權(quán)開(kāi)發(fā)用于疲勞增強(qiáng)的激光噴丸技術(shù)，通用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)（GE Aircraft Engines）開(kāi)始使用新一代的雙梁式50J激光系統(tǒng)來(lái)對(duì)所有F101第一級(jí)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行激光噴丸處理。
商業(yè)化進(jìn)程
受F101研究結(jié)果和隨后的空軍需求的啟發(fā)，Dulaney博士離開(kāi)了巴特爾研究所，并成立了LSP Technologies公司（位于俄亥俄州都柏林市），唯一的目的是將激光沖擊強(qiáng)化（激光噴丸）技術(shù)商業(yè)化。公司隨后開(kāi)始將激光噴丸設(shè)備和服務(wù)作為一種疲勞增強(qiáng)解決方案進(jìn)行推廣和銷售。
LSP Technologies構(gòu)建了GE航空集團(tuán)的初始激光噴丸系統(tǒng)，以及其自行用于用激光噴丸的內(nèi)部生產(chǎn)系統(tǒng)：一個(gè)20W的基于釹（Nd）玻璃的閃光燈泵浦系統(tǒng)，并配以一套生產(chǎn)工作單元以及一款400磅容量的零件處理機(jī)器人。
LSP Technologies公司的工程師現(xiàn)正面臨著將LSP技術(shù)完全成熟化，從而實(shí)現(xiàn)其最大效能和最高產(chǎn)能的挑戰(zhàn)。更高的重復(fù)率需要更堅(jiān)固的光學(xué)玻璃以承受來(lái)自閃光燈的循環(huán)加熱，因此LSP Technologies與特種玻璃制造商Schott AG公司攜手合作，以確定具有定制Nd摻雜濃度的用于激光噴丸的更強(qiáng)的激光玻璃棒。更深的殘余應(yīng)力輪廓需要更復(fù)雜的建模工具和過(guò)程控制，而復(fù)雜的表面幾何形狀需要集成的機(jī)器人來(lái)精確操縱零件。在激光噴丸技術(shù)不斷成熟的過(guò)程中，LSP Technologies公司開(kāi)發(fā)并獲得了一系列專利許可，其中包括光束傳輸、激光脈沖切片、覆層應(yīng)用和質(zhì)量控制等創(chuàng)新方法。
這些技術(shù)改進(jìn)使激光噴丸的效率變得更高，而成本更低，從而醞釀出新的商業(yè)應(yīng)用以及激發(fā)更大的市場(chǎng)需求。LSP Technologies開(kāi)始為航空、運(yùn)輸、發(fā)電和模具行業(yè)的客戶提供激光噴丸服務(wù)—所有這些用戶都從其激光噴丸組件顯著提高的疲勞強(qiáng)度中獲益。激光噴丸工藝通過(guò)提高金屬部件的耐疲勞性，抗裂性以及抗損傷性來(lái)延長(zhǎng)其使用壽命，同時(shí)降低了關(guān)鍵部件的維護(hù)和檢查需求。
激光噴丸的工作原理
顧名思義，激光噴丸將高能激光脈沖用于金屬表面，以改善材料特性。在激光噴丸過(guò)程中，激光光束會(huì)射向零件表面，生成7GPa的脈沖壓力，并以沖擊波的形式穿過(guò)零件，由此產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力可達(dá)普通噴丸的10倍以上。
噴丸是一種冷加工的機(jī)械工藝，通過(guò)表面壓縮硬化賦予材料有益的應(yīng)力。雖然傳統(tǒng)的噴丸方法更多依賴于錘擊或射彈射擊所產(chǎn)生的沖擊動(dòng)能力，但激光噴丸采用高能激光脈沖來(lái)產(chǎn)生將壓應(yīng)力植入零件的關(guān)鍵部位的等離子體脈沖。作為機(jī)械冷加工工藝，激光噴丸與其它依賴熱能來(lái)誘發(fā)加熱或熔化的激光材料加工工藝呈現(xiàn)出明顯的差異。
激光噴丸工藝是通過(guò)使用高能量、短脈沖激光系統(tǒng)以及各種覆層材料執(zhí)行的。工藝開(kāi)始前，先將一道不透明的覆層材料（通常為乙烯基膠帶或涂料）涂覆到目標(biāo)表面，以吸收激光能量并保護(hù)部件表面免受熱效應(yīng)影響。然后，將一道透明覆層（通常為水）涂在不透明的覆層上，并且用作填充介質(zhì)以限制快速擴(kuò)張的等離子體并放大部件表面位置的壓力脈沖。
當(dāng)激光脈沖被引導(dǎo)到目標(biāo)物時(shí)，脈沖穿過(guò)透明覆層并撞擊不透明的覆層，從而產(chǎn)生高壓，并快速膨脹等離子體。受限等離子體爆破的高壓將高振幅應(yīng)力波深入傳送到目標(biāo)表面，引起部件內(nèi)的塑性變形和壓縮殘余應(yīng)力（圖1）。這層殘余壓應(yīng)力可根據(jù)零件可能的失效方式相應(yīng)地植入。對(duì)重量敏感的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，這將提高零件的負(fù)荷能力。
圖1：一張顯示激光噴丸工藝的原理圖
增強(qiáng)鈦或鋼等金屬的關(guān)鍵是產(chǎn)生振幅大于材料動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度的應(yīng)力波。如果給定金屬的應(yīng)力波幅度超過(guò)該值，材料便會(huì)發(fā)生塑性應(yīng)變，因?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)中的脫位會(huì)導(dǎo)致在零件中產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。
操作參數(shù)
激光噴丸通過(guò)控制激光脈沖的強(qiáng)度和覆蓋范圍來(lái)調(diào)整壓縮殘余應(yīng)力場(chǎng)。不同的金屬需要不同的激光噴丸功率密度（GW / cm2），這取決于材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度。例如，激光噴丸的高強(qiáng)度鋼所需的功率密度在9-10GW /cm2的范圍內(nèi)。功率密度是激光脈沖能量，激光脈沖寬度和光斑尺寸的函數(shù)，并且將決定部件表面上沖擊波的峰值壓力（圖2）。
圖2：較高的功率密度在Ti-6Al-4V（鈦合金）中產(chǎn)生較深的壓縮殘余應(yīng)力。
激光噴丸是唯一采用低于50ns脈沖寬度的高能激光脈沖的工業(yè)材料加工技術(shù)。短脈沖寬度產(chǎn)生更大的峰值功率，并在部件表面產(chǎn)生更高的壓縮應(yīng)力。激光噴丸系統(tǒng)采用普克爾盒脈沖切片機(jī)，以此縮短脈沖上升時(shí)間，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間的強(qiáng)烈輻照。這將產(chǎn)生用于植入工件的壓縮應(yīng)力的最佳功率密度。
圖3：LSP Technologies 公司開(kāi)發(fā)的Procudo 200 激光噴丸系統(tǒng)。
有效的激光噴丸覆蓋是通過(guò)跨工藝區(qū)域的疊層來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 光斑通常以至少33％的重疊度成排應(yīng)用，產(chǎn)生抑制表面或近表面裂紋傳播的殘余壓縮應(yīng)力的均勻場(chǎng)。
圖4：Procudo 200 激光噴丸系統(tǒng)采用了二極管泵浦放大裝置。
下一代技術(shù)
現(xiàn)在，這種表面增強(qiáng)技術(shù)能夠以完全集成的交鑰匙系統(tǒng)提供。LSP Technologies公司的Procudo 200激光噴丸系統(tǒng)專用于制造環(huán)境（圖3）。其配備嵌入式的200W二極管泵浦Nd：YLF激光器（圖4），該系統(tǒng)能夠在20Hz的重復(fù)頻率下傳送每脈沖10J的能量。該系統(tǒng)的其它特征包括帶有可選擇的能量和脈沖寬度的平頂波束（圖5），而二極管泵浦振蕩器為具有窄變性的高重復(fù)工藝提供了穩(wěn)定，可重復(fù)的輸出（圖6）。
圖5：平頂波束空間分布提供平穩(wěn)的能量分布，用于一致的處理結(jié)果。
該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可直接與生產(chǎn)線進(jìn)行集成?？蛇x擇的參數(shù)為操作人員提供了對(duì)任何尺寸或形狀的部件進(jìn)行激光噴丸的靈活性，而自定義控件和診斷包可提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和過(guò)程控制。
Procudo激光噴丸系統(tǒng)已經(jīng)引起了世界各地材料科學(xué)家和工程師的關(guān)注，從而在多個(gè)洲完成了以研究為導(dǎo)向的激光噴丸系統(tǒng)的安裝任務(wù)。位于中國(guó)廣東省的廣東工業(yè)大學(xué)已經(jīng)安裝了一套相關(guān)系統(tǒng)，另一套將于2017年底之前安裝在位于德國(guó)漢堡的應(yīng)用航空研究中心內(nèi)。這些安裝項(xiàng)目也為許多研究人員首次提供了針對(duì)具有生產(chǎn)能力的激光噴丸設(shè)備的噴丸工藝進(jìn)行研究的寶貴機(jī)會(huì)。
圖6：8 小時(shí)測(cè)試結(jié)果顯示了Procudo 200 激光噴丸系統(tǒng)的功率穩(wěn)定性。
廣泛采用激光噴丸技術(shù)為消費(fèi)者帶來(lái)的顯著優(yōu)勢(shì)將是更安全的產(chǎn)品、更可靠的設(shè)備，并提升各行各業(yè)的工程能力。激光噴丸猶如外科手術(shù)，能夠?qū)堄鄩簯?yīng)力植入零件的關(guān)鍵部位，為設(shè)計(jì)師提供防止裂紋生成發(fā)展并能增加零件疲勞強(qiáng)度值的能力，使零部件獲得更長(zhǎng)的使用壽命，以及其它更多的節(jié)省成本的優(yōu)勢(shì)。隨著工程師和制造商持續(xù)挑戰(zhàn)材料能力的限制，激光噴丸將成為確保組件滿足創(chuàng)新需求的寶貴工具。
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