我國(guó)新一代激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究獲得突破
2016-12-7 來(lái)源：轉(zhuǎn)載 作者：-
激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)原理。
激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。
激光沖擊強(qiáng)化（Laser Shock Peening，LSP）是一種先進(jìn)激光表面處理技術(shù)，可以有效地提高金屬部件的疲勞壽命等。常規(guī)LSP原理是，先在金屬表面貼服吸收層，側(cè)面噴水形成透明薄膜，然后將高強(qiáng)度(GW/cm2)、短脈沖（8～30ns量級(jí)）激光穿過(guò)透明約束水層，作用于吸收層，吸收層在強(qiáng)激光作用下，瞬時(shí)產(chǎn)生高溫、高壓等離子體。等離子體繼續(xù)吸收激光能量，急劇升溫膨脹，爆炸形成幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)倍大氣壓的高強(qiáng)度沖擊波，作用于金屬工件。沖擊波的峰值壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，材料發(fā)生塑性變形并在表層一定深度內(nèi)產(chǎn)生塑性變形和殘余壓應(yīng)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(qiáng)化技術(shù)相比，LSP具有無(wú)熱影響、可控性強(qiáng)以及強(qiáng)化效果顯著等突出優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)、歐洲軍用發(fā)動(dòng)機(jī)葉片普遍采用LSP處理，疲勞壽命相對(duì)未處理工件提高5～7倍，我國(guó)亟待將該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
但是傳統(tǒng)的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)存在一系列局限性，限制了這一技術(shù)的普遍應(yīng)用。首先，側(cè)面噴水形成水膜有邊沿效應(yīng)，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(tǒng)LSP要多次貼覆吸收層，錯(cuò)位處理，以形成均勻應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，工藝昂貴；再者，處理復(fù)雜曲面需要個(gè)性化編程；還有，水膜小、流濺射會(huì)對(duì)光路產(chǎn)生影響，能量耦合率低；最后，采用的激光器使用極限狀態(tài)，穩(wěn)定性差。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進(jìn)制造所研究員張文武領(lǐng)導(dǎo)的激光與智能能量場(chǎng)制造工程團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)激光沖擊強(qiáng)化工藝中存在的上述問(wèn)題，發(fā)明了隨動(dòng)型激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)。如圖所示，該技術(shù)利用同軸送水實(shí)現(xiàn)對(duì)約束層的穩(wěn)定控制，徹底解決了側(cè)面噴水的邊沿效應(yīng)；利用諧振腔大大提高了能量利用率；利用移動(dòng)吸收層，徹底免除了前后處理。該工藝相對(duì)傳統(tǒng)LSP技術(shù)提高處理速度10倍以上，并且可以實(shí)現(xiàn)任意重疊率的處理。
科研團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)對(duì)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(jìn)行了表面強(qiáng)化處理，對(duì)硬度、磨損性、強(qiáng)度、耐腐蝕性和疲勞強(qiáng)度展開(kāi)分析，證明新型沖擊強(qiáng)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(qiáng)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(jié)束的“第一屆激光復(fù)合制造協(xié)同創(chuàng)新國(guó)際論壇暨第十一屆全國(guó)高能密度熱處理學(xué)術(shù)會(huì)議”上，張文武擔(dān)任大會(huì)副主席，并且受邀請(qǐng)作了《對(duì)激光復(fù)合制造的新思考》的現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告，引起了國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注，各位專(zhuān)家對(duì)這項(xiàng)技術(shù)給予了高度評(píng)價(jià)。王浩作了Experimental Research on New Generation Laser Shock Peening的研究報(bào)告。團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將該技術(shù)申報(bào)PCT專(zhuān)利，該技術(shù)的成功標(biāo)志著第三代激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的成熟，為L(zhǎng)SP技術(shù)廣泛應(yīng)用于復(fù)雜金屬部件的處理，如齒輪、機(jī)電腔體、刀具、微細(xì)結(jié)構(gòu)等掃清了商業(yè)化障礙。目前該技術(shù)正通過(guò)寧波大艾激光科技進(jìn)行產(chǎn)業(yè)。
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