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激光冲强化技术的发展及成判现状
激光冲击强化技术的发展及应用现状
张春成
(大庆油田装备制造集团研究院,黑龙江大庆163001)
[摘要]激光冲击强化(ISP)是一项新的表面强化处理技术。阐述了ISP技术表画强化的エ艺优点和应用
领域;介绍了国内外激光强化技术、エ艺及设备研究和实际应用情況;分析了该技术在应用推广中亟待解决的
设备研制、工艺改进等关鍵问题,并对其未来的应用前景、发展方向做了展望。
[关键词]激光冲击强化;表面强化;研究与应用
[中图分类号]TN249;TG665[文献标识码]A[文章编号]1001-1560(2012)07-0049-03
A
帐
0前
性能,揭开了LSP应用研究的序幕。20世纪90年
金属材料的失效形式主要是始于材料表面的波代,美国利佛莫尔国家实验室、CE和MC公司等联
合开展了ISP技术理论、工艺和设备的研究,使ISP
劳、腐蚀和磨损,所以材料表面的结构和性能直接影
获得了很大发展并逐步走向实用,如提高航空制造业
响着材料的综合性能。激光冲击强化(LSP)技术能
及汽车制造业常用金属材料的表层硬度和疲劳寿命,
大幅增强金属材料的耐久性,防止表面出现裂纹,提
薄件加工效果好-。21世纪初,LSP技术成熟应
高材料的使用寿命、降低维修成本,是目前应用广泛、
用于F101、F110和F414发动机叶片的维修;目前,将
前景广阔的先进表面强化技术。
ISP技术应用于F/A-22上的F119-PW-100发动机
SP技术与传统的喷丸、冷挤压相比,具有非接
生产线的结果显示,叶片的失效率、检修周期和维修
触、无热影响区和强化效果显著等优势,其主要优势
成本显著降低":200年1SP技术被美联邦航空局ド
如下"=4:(1)高压,冲击波的压力可达到GPa乃至
单脉冲能量达到几十J,峰(FA)和日本亚细亚航空(JA)批准为飞机关键件
维修技术;2004年,美国激光冲击技术公司与美国空
功率达到CW级,在10-20ns内将光能转变成冲击
波机械能,实现能量的高效利用;(3)超高应变率,冲
军实验室开展了发动机钛合金损伤叶片LSP修复研
究,取得了巨大成功;同年美国正式颁布了LSP操作
击波作用时间仅几十ns;(4)抑制裂纹生成及降低裂
纹扩展速率效果显著;(5)可进行局部强化,对不规则
规范,LSP技术被应用于波音77民用飞机的叶片处
理]。目前,美国除了将LSP技术广泛用于军事航
工件、薄件、小孔边强化效果也较好;(6)消除焊缝和
空业外,其在大型汽轮机、水轮机的叶片处理、石油管
激光熔覆等处理后的残余拉应力效果显著,无热影
道、汽车关键部件减量化等领域也得到广泛应用,并
响、效果显著和激光束方向可控性好;(7)清洁环保
产生了巨大的经济效益,仅石油管道焊缝的处理就可
无污染
当前,对ISP技术已有相当的研究,并得到了获得10亿美元以上的年收益。
20世纪90年代国内研制出了首台试验用激光冲
应的发展和应用,以下对此进行归纳、评述,以期对同
击处理机,建立了根据冲击区表面质量特征定性判断
行有一定的借鉴作用。
ISP的直观检验方法,对ISP技术走向工程应用具有
发展及成用现状
重要价值?。接着对ISP机理、表面涂层约束层应
用和强化工艺试验等也有一系列系统而富有创新性
1972年,美国首次用高功率脉冲激光诱导的冲的研究”,但受设备条件限制,ISP技术仍未能推
击波改变7075铝合金的显微结构组织以提高其力学向工业应用。
[收稿日期]2012-02-24
近年来,国内对ISP技术的强化机理、关键技术、
[通信作者]张春成(1984-),硕士,主要从事油田装备成套设备和在航空发动机上的应用工艺进行了更深
的设计研发,电话;0459-58892,E-mail:人的研究。
zc6543@163.com
对AM50镁合金的LSP处理表明:在强脉冲激光
激光冲古强化技术的发展及应用现状
作用下,试样表面留下光亮、致密、深约27m的微凹
坑,表层材料发生了高应变速率的塑性变形,材料内2展望
产生大量位错与孪晶,强化层深约0.8m;冲击区的
2.1应用前景
显微硬度明显增加,表层材料的显微硬度比基体约提
高58%;冲击区表面存在高达146MPa的残余压应
(1)航空航天业可对具有裂纹损伤的航空发动
力1。对LY2铝合金试样进行ISP处理的结果
机叶片进行修复,使其疲劳强度完全满足设计要
LY2铝合金光斑中心处残余应力可达126.8MPa,疲
求;对整体叶盘冲击强化可大幅增强其耐久性,防
劳寿命提高1.1倍,抑制了裂纹在表层的萌生和扩止表面出现裂纹,提高使用寿命和降低维修成本;可
展,提高了材料的抗疲劳寿命?。利用钕玻璃强渡以大幅提高飞机关键零部件的抗疲劳性能,改善结构
光对厚度为1.2m的铝合金板料进行激光单点冲件表面抗腐蚀能力,提高全寿命周期中的可靠性,尤
成形试验,单次冲击后,LY12CZ铝合金表面残余压应其是对小孔的强化具有不可替代的作用。
(2)汽车及船舶制造业可以对汽车关键零部件
力达150MPa,3次冲击后达250MPa,随冲击次数的
实现延寿、减量,降低耗油量,节约能源和保护环境;
增加板料变形量呈非线性增大2】。
三s
大幅改善船舶管板焊接件、船体焊鏠的性能,延长其
近10年来通过对镍基高温合金、钛合金、不锈钢
使用寿命。
及球墨铸铁等进行ISP处理,从提高材料的抗疲劳寿
(3)核工业核设施上的焊缝易发生腐蚀破坏,
命、表层硬度和微观组织结构等方面研究了LSP提高用ISP技术处理核废料储存容器焊缝,可改善核反应
材料表面抗疲劳、抗腐蚀、抗磨损能力的机理,为今后
器的安全性与可靠性,延长反应器零件的工作时间
S
的应用提供了宝贵数据,有的产品达到了国外同类产
(4)石油化工可有效地提高管道的抗应力腐蚀
品的性能水平,效果显著2?;同时,也对铝合金、镁
疲劳寿命,从而带来巨大的经济效益。
合金及钛合金等航空及汽车制造业中常用的合金及
2.2存在的问题及发展方向
零部件进行了大量ISP模拟仿真试验,探索了ISP在
工业中的应用价值及可行性3-3』。
目前,美国是唯一研制成生产型LSP装备并将其
此外,在激光设备研究及工业应用方面也有很大应用于生产的国家。ILSP技术当前的应用范围极为
进步:2007年攀钢集团开发的万能轧机BD压辊激光狭窄,主要是航空航天领域,要在实际工程中得到广
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表面强化处理技术已达国内先进水平;脉冲能量25泛的应用,必须对以下几个方面作进一步的研究:
(1)高性能的激光冲击装置其中主要包括冲击
J,重复频率1Hz的高功率YAG激光器,可单路和分
光后双路使用,适合进行各种材料及薄壁部件的冲击
装置的小型化、高重复频率以及输出激光脉冲的能量
机、发动机疲劳断裂问题、提高其可靠性具有重大野。
的稳定性等。其中激光器是关键,其峰值的功率水平
强化;2008年11月,ISP成套设备及关键技术通过了
国家有关部门组织的技术成果鉴定,对解决我国で武定了ISP应有的效果和提高材料的疲劳性能的幅
(2)廉价且易