激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)70年代初，美國(guó)巴特爾學(xué)院（Battelle Memorial Institute）的B.P. Fairand 等人首次采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，從此揭開了用激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用研究的序幕。

20世紀(jì)90年代，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)得到了大力開發(fā)與快速發(fā)展，被美國(guó)軍方和工業(yè)界陸續(xù)應(yīng)用一些典型的戰(zhàn)斗機(jī)/ 轟炸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和商用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇/ 壓氣機(jī)葉片與整體葉盤上。與此同時(shí)，世界激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究與應(yīng)用人員從2008年起每2年組織1屆國(guó)際激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研討會(huì)，對(duì)激光沖擊強(qiáng)化的基礎(chǔ)理論、工藝的數(shù)值模擬、工藝的試驗(yàn)驗(yàn)證、由LSP條件造成的機(jī)械特性等方面進(jìn)行深入探討。這些標(biāo)志著激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)越來越得到世界的關(guān)注。

1 在風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片上的應(yīng)用與發(fā)展

20世紀(jì)90年代初，配裝B-1B轟炸機(jī)的F101發(fā)動(dòng)機(jī)因風(fēng)扇葉片斷裂引發(fā)了多次重大飛行事故。其原因，是第1級(jí)鈦合金風(fēng)扇葉片前緣被吞入發(fā)動(dòng)機(jī)的硬外來物打傷，造成疲勞強(qiáng)度由要求的75ksi（518MPa）左右下降到20ksi（138MPa）以下，進(jìn)而引發(fā)疲勞斷裂。為了避免該類故障的發(fā)生，美國(guó)空軍地勤人員在F101發(fā)動(dòng)機(jī)每飛行25h和每天第1次飛行前對(duì)所有風(fēng)扇葉片進(jìn)行1次能夠發(fā)現(xiàn)0.127mm裂紋的精細(xì)檢查。1994年，為了完成上述檢查和保證B-1B轟炸機(jī)安全飛行，美國(guó)空軍花費(fèi)了100多萬維護(hù)人時(shí)和1000多萬美元。

1994年12月，美國(guó)正式實(shí)施“高循環(huán)疲勞科技計(jì)劃”，以幫助消除飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的高循環(huán)疲勞故障。作為該計(jì)劃的關(guān)鍵技術(shù)，激光沖擊強(qiáng)化等部件表面處理技術(shù)得到了大力開發(fā)和驗(yàn)證。同時(shí)，在美國(guó)國(guó)防部的制造技術(shù)（ManTech）研究計(jì)劃下，GE公司和激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)（LSPT）公司合作也開發(fā)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，以提高鈦合金風(fēng)扇葉片的耐久性和降低其對(duì)外來物損傷的敏感性。

LSPT公司首先進(jìn)行了噴丸強(qiáng)化與激光沖擊強(qiáng)化對(duì)F101-GE-102發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片疲勞特性影響的比較研究[5-7]。疲勞試驗(yàn)結(jié)果（見圖2）表明：基準(zhǔn)的無損傷的葉片在80ksi（552MPa）下在106個(gè)循環(huán)失效；帶有凹口的未處理的葉片在20~30ksi（138~207MPa）下失效；雙強(qiáng)度噴丸強(qiáng)化的葉片的平均失效應(yīng)力估算值為35ksi(242MPa) ；高強(qiáng)度噴丸強(qiáng)化的葉片的平均失效應(yīng)力估算值為45ksi（311MPa）；而激光沖擊強(qiáng)化的帶凹口的葉片的平均失效應(yīng)力為100ksi(690MPa)，高于沒有損傷的葉片的失效應(yīng)力；甚至激光沖擊強(qiáng)化的帶放電加工的凹口的葉片的平均失效應(yīng)力為75~80ksi（518~552MPa）。激光沖擊強(qiáng)化部件疲勞強(qiáng)度改進(jìn)數(shù)據(jù)也表明，與基準(zhǔn)的未損傷、未處理的風(fēng)扇葉片相比，有6.35mm 切口損傷的F101 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后的疲勞強(qiáng)度等于或高于未受損傷、未處理的葉片的疲勞強(qiáng)度。也就是說，激光沖擊強(qiáng)化能夠恢復(fù)受損傷的風(fēng)扇葉片的結(jié)構(gòu)完整性，保證風(fēng)扇葉片連續(xù)且安全地工作，甚至有最大到6.35mm 的外來物損傷缺陷的F101發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片也可以繼續(xù)使用。

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1995年，LSPT公司得到美國(guó)空軍的批準(zhǔn)，開始研制生產(chǎn)型激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)。在解決了激光的光學(xué)布局、系統(tǒng)診斷的選擇、激光箱體與電子箱體的機(jī)械設(shè)計(jì)等問題后，LSPT公司成功地開發(fā)了由激光室與處理室組成的原型生產(chǎn)型激光系統(tǒng)。1997年，GE公司引進(jìn)了LSPT公司設(shè)計(jì)與制造的4套激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)，并開始對(duì)F101發(fā)動(dòng)機(jī)第1級(jí)風(fēng)扇葉片進(jìn)行沖擊強(qiáng)化。經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化的F101-GE-102 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的深處產(chǎn)生壓縮應(yīng)力（是常規(guī)噴丸沖擊強(qiáng)化的4倍），阻止了裂紋的起始和擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了由目視檢查取代精細(xì)檢查，大大節(jié)省了使用與維護(hù)費(fèi)用。據(jù)報(bào)道，采用這一技術(shù)，空軍每年可以節(jié)省1000萬美元的替換、修理與維護(hù)費(fèi)用，并且由于避免大約42次左右的致命性發(fā)動(dòng)機(jī)故障而節(jié)省4000 萬美元的發(fā)動(dòng)機(jī)費(fèi)用。

盡管取得了巨大成功，但是處理速度慢和處理費(fèi)用高兩大不足嚴(yán)重地限制了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的推廣與應(yīng)用。其原因包括以下2點(diǎn)：

（1）涂敷和去除不透明涂層在進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的激光強(qiáng)化間外面進(jìn)行，多次沖擊就需要反復(fù)搬運(yùn)，造成勞動(dòng)強(qiáng)度大和工作時(shí)間長(zhǎng)。

（2）圓形激光束光點(diǎn)的重迭面積大（如果要實(shí)現(xiàn)100% 覆蓋待處理表面，圓形激光束光點(diǎn)的重迭面積要高達(dá)30%），增加了處理時(shí)間。

為此，在ManTech研究計(jì)劃的激光沖擊強(qiáng)化分研究計(jì)劃下，LSPT公司開發(fā)了耐用的預(yù)生產(chǎn)型的激光沖擊系統(tǒng)。LSPT公司開發(fā)并驗(yàn)證了由噴涂專用不透明涂覆層、覆蓋水膜、發(fā)射激光脈沖和去除與清潔下一次要處理的表面4個(gè)步驟構(gòu)成的RapidCoaterTM系統(tǒng)，使費(fèi)用減少30%~40%，處理效率提高4~6倍，并將其集成到激光強(qiáng)化系統(tǒng)中；開發(fā)了監(jiān)控快速涂敷系統(tǒng)在零件表面涂敷涂層質(zhì)量的控制器與監(jiān)控器，以確?？煽壳乙恢碌男阅?；研制了減少激光束光點(diǎn)重疊的由圓形光點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦喂恻c(diǎn)的專門光學(xué)裝置；研制了與涂敷工藝同步、與激光控制系統(tǒng)聯(lián)接、指示控制光束形狀的光學(xué)裝置發(fā)出矩形光點(diǎn)的控制系統(tǒng)；建造了包括新的激光控制器、激光監(jiān)控器、半自動(dòng)強(qiáng)化間、激光系統(tǒng)的2個(gè)經(jīng)濟(jì)可承受的激光沖擊強(qiáng)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(shí)間分布和空間分布。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)展，激光沖擊強(qiáng)化又被推廣應(yīng)用到配裝F-16A/B戰(zhàn)斗機(jī)的F110-GE-100 發(fā)動(dòng)機(jī)、配裝F-16C/D 的F110-GE-129 發(fā)動(dòng)機(jī)、正在研制的JSF120 發(fā)動(dòng)機(jī)、配裝F-15戰(zhàn)斗機(jī)的F100-PW-220 發(fā)動(dòng)機(jī)、配裝波音777 客機(jī)的Trent800 發(fā)動(dòng)機(jī)、配裝波音787的TRENT1000發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片上。這一技術(shù)使FOD容限提高15倍，檢驗(yàn)的工時(shí)與費(fèi)用大大減少，飛行安全明顯改善。據(jù)報(bào)道，應(yīng)用于F110-GE-100和F110-GE-129 發(fā)動(dòng)機(jī)，為空軍每年節(jié)省了上百萬美元的維護(hù)費(fèi)用，并且估計(jì)避免了較多的致命性的發(fā)動(dòng)機(jī)故障。到2002年，已經(jīng)節(jié)省了5900萬美元。預(yù)計(jì)，在美國(guó)空軍機(jī)隊(duì)的壽命期內(nèi)可節(jié)省10億美元。美國(guó)金屬表面工程公司（MIC）公司將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)用于軍民用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片以延長(zhǎng)其疲勞壽命，不但提高了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠性，而且每月可節(jié)約幾百萬美元的飛機(jī)保養(yǎng)費(fèi)用、節(jié)約幾百萬美元的零件更換費(fèi)用。