我國新一代激光沖擊強化技術研究獲得突破
2016-12-7 來源：轉載 作者：-
激光沖擊強化技術原理。
激光沖擊強化技術處理發動機葉片。
激光沖擊強化（Laser Shock Peening，LSP）是一種先進激光表面處理技術，可以有效地提高金屬部件的疲勞壽命等。常規LSP原理是，先在金屬表面貼服吸收層，側面噴水形成透明薄膜，然后將高強度(GW/cm2)、短脈沖（8～30ns量級）激光穿過透明約束水層，作用于吸收層，吸收層在強激光作用下，瞬時產生高溫、高壓等離子體。等離子體繼續吸收激光能量，急劇升溫膨脹，爆炸形成幾萬到幾十萬倍大氣壓的高強度沖擊波，作用于金屬工件。沖擊波的峰值壓力遠遠超過材料的動態屈服強度，材料發生塑性變形并在表層一定深度內產生塑性變形和殘余壓應力。LSP可以提高金屬材料的疲勞壽命、耐磨損和抗腐蝕能力，與其他表面強化技術相比，LSP具有無熱影響、可控性強以及強化效果顯著等突出優點。美國、歐洲軍用發動機葉片普遍采用LSP處理，疲勞壽命相對未處理工件提高5～7倍，我國亟待將該技術產業化應用。
但是傳統的激光沖擊強化技術存在一系列局限性，限制了這一技術的普遍應用。首先，側面噴水形成水膜有邊沿效應，工件中間和邊沿以及凸起不平的地方水膜厚度很難均勻控制；其次，傳統LSP要多次貼覆吸收層，錯位處理，以形成均勻應力場，導致加工時間過長，工藝昂貴；再者，處理復雜曲面需要個性化編程；還有，水膜小、流濺射會對光路產生影響，能量耦合率低；最后，采用的激光器使用極限狀態，穩定性差。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進制造所研究員張文武領導的激光與智能能量場制造工程團隊針對傳統激光沖擊強化工藝中存在的上述問題，發明了隨動型激光沖擊強化技術。如圖所示，該技術利用同軸送水實現對約束層的穩定控制，徹底解決了側面噴水的邊沿效應；利用諧振腔大大提高了能量利用率；利用移動吸收層，徹底免除了前后處理。該工藝相對傳統LSP技術提高處理速度10倍以上，并且可以實現任意重疊率的處理。
科研團隊利用該技術對鋁合金材料、磨具鋼、鎳基高溫合金、鎂合金、鈦合金、磁性材料等眾多材料進行了表面強化處理，對硬度、磨損性、強度、耐腐蝕性和疲勞強度展開分析，證明新型沖擊強化效果顯著，使用方便。鋁合金材料處理后硬度提高30%以上，拉伸強度提高20%以上，耐磨性提高50%，耐腐蝕性提高3倍以上。
在剛剛結束的“第一屆激光復合制造協同創新國際論壇暨第十一屆全國高能密度熱處理學術會議”上，張文武擔任大會副主席，并且受邀請作了《對激光復合制造的新思考》的現場報告，引起了國內外同行的廣泛關注，各位專家對這項技術給予了高度評價。王浩作了Experimental Research on New Generation Laser Shock Peening的研究報告。團隊已經將該技術申報PCT專利，該技術的成功標志著第三代激光沖擊強化技術的成熟，為LSP技術廣泛應用于復雜金屬部件的處理，如齒輪、機電腔體、刀具、微細結構等掃清了商業化障礙。目前該技術正通過寧波大艾激光科技進行產業。
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