激光沖擊強化技術又稱激光噴丸,是一種新型有效、發展迅速的表面改性技術。與傳統機械噴丸技術相比,它能在工件表面形成更深的殘余壓應力層,并且可控性強、適應性好,能夠處理難以處理的部位。目前,該技術已廣泛應用在航空發動機葉片、齒輪、核電站壓力焊縫等抗疲勞制造。隨著激光設備價格的進一步下降,激光沖擊強化技術將得到更廣泛的應用。

激光沖擊強化技術工程應用廣泛

1972年,美國首次采用高功率激光誘導的沖擊波來處理高強鋁合金,發現其表面微觀組織發生改變,抗拉強度提高30%以上,從此揭開了激光沖擊強化研究的序幕。20世紀80年代后期,歐洲、日本、以色列等國家和地區紛紛開展了激光沖擊強化技術研究。

1995年,世界上第一家激光沖擊處理技術公司在美國創立。1997年,美國通用公司采用激光沖擊處理技術處理飛機發動機風扇葉片,大幅提高其抗外物損傷容限。2001年,美國激光沖擊處理技術公司對Rolls-Royce公司的800多個發動機進行了激光沖擊強化處理。2004年,該公司與美國空軍實驗室合作,對F/A-22上的發動機鈦合金損傷葉片進行了激光噴丸修復研究,其疲勞強度提升了兩倍。同年,美國正式頒布了激光沖擊處理規范,該技術被應用于波音777的葉片處理。2012年,美國成功開發出移動式激光沖擊處理設備,可以進入工業現場提供實時服務。2002年,日本東芝公司利用小型激光器處理核反應堆壓力容器和管道接頭等焊縫,提高零件的疲勞壽命。

激光沖擊處理航空發動機整體葉盤

國外有學者還將激光沖擊處理技術用于強化生物醫用金屬和合金,提高永久植入物硬度、屈服強度和疲勞壽命,降低鈣鎂合金等可降解植入物的降解速率。

國內從20世紀90年代開始激光沖擊處理技術的研究,主要針對鋁合金和鋼材進行一系列試驗研究和相關理論研討。從1992年起,南京航空航天大學與中國科學技術大學合作,開展了航空結構件激光沖擊強化抗疲勞制造研究。1995年,國內首臺單次激光沖擊實驗用的激光沖擊強化裝置在中國科學技術大學研制成功。2008年,空軍工程大學聯合西安光電技術發展有限公司、北京鐳寶光電技術有限公司研制成功了我國第一條連續脈沖激光沖擊強化生產線。2011年,我國首套整體葉盤激光沖擊強化系統設備在中科院沈陽自動化研究所研制成功,并交付沈陽黎明發動機有限公司投入使用。

激光沖擊強化的機理與影響因素

當功率密度大于10⁹ W/cm2、脈沖寬度為納秒量級的激光束輻射金屬表面時,使能量吸收層吸收激光能量并發生爆炸性氣化蒸發,產生高溫(>10⁷ K)、高壓(>1GPa)的等離子體層。激光沖擊強化利用了高壓等離子層施加在靶材上沖擊載荷所產生的向材料內部傳播的強沖擊波。

激光沖擊強化機理示意圖

目前使用的約束層材料主要有K9光學玻璃、有機玻璃和水流層等。玻璃類材料約束層效果最好,但是適應性差,會發生碎裂,僅適用于單次激光沖擊處理。一般激光沖擊試驗及工業應用采用水流層作為約束層,其具有適用性強、成本低、操作方便、無需更換等優點。除了少部分激光沖擊處理過程不使用能量吸收層外,絕大部分需要使用能量吸收層。常用的能量吸收層主要為黑漆、鋁箔和黑膠帶等汽化熱低的材料。黑漆適用性較好,可以用于溝槽、小孔等處的激光沖擊強化處理,但是沖擊完成后不便于去除,因此一般選用鋁箔和黑膠帶作為能量吸收層。

影響激光沖擊強化效果的因素很多,主要有材料特性、約束層、能量吸收層、激光沖擊參數等。如果激光功率密度不變,激光的脈沖寬度越長,那么激光沖擊波作用材料的時間也越長,激光沖擊處理效果越好。然而,激光的脈沖寬度過大極易造成被沖擊處理材料的表面燒損現象。只有根據材料特性選擇合理的約束層、能量吸收層及激光沖擊參數等工藝參數,才能得到較好的強化效果。

激光沖擊強化數值模擬

數值模擬有助于獲得特定應用場合最優的工藝參量,已逐漸成為研究激光沖擊強化的重要手段。國內外學者針對激光沖擊強化的建模及其優化做了大量的研究工作。目前業界在顯式動態分析+隱式靜態分析激光沖擊強化數值模擬法,以及基于本征應變的激光沖擊強化數值模擬法等方面都取得了長足進展。

當高壓等離子層沖擊靶材后,沖擊區域材料發生高應變率塑性變形,結構響應變化非?？?是一個高度非線性的高速動力學問題。如果采用隱式有限元算法求解這類問題,不僅需要很大的計算量和存儲量,而且計算收斂困難。需要采用顯式有限元分析方法來求解等離子沖擊產生的應力波。特別是綜合采用顯式、隱式有限元分析方法,進行沖擊波作用下材料動態響應過程的數值模擬,有利于獲得準確的殘余應力場預測結果。

采用單點激光沖擊殘余應力計算及疊加方法對大面積區域的多點搭接激光沖擊進行模擬計算時,總的計算量往往非常巨大,需要花費大量的時間才能得到試件的殘余應力場。此外,由于工件幾何尺寸對殘余應力場的影響較大,采用應力疊加的方法難以準確模擬形狀復雜曲面的真實構件多點搭接激光沖擊強化的殘余應力場。

為了有效解決這兩方面的問題,一些研究者建立了基于本征應變的數值模型來進行激光沖擊強化殘余應力場的模擬。該模型認為激光沖擊在構件表層形成的本征應變對構件幾何形狀不敏感,模擬過程只關注激光沖擊誘導的塑性應變,通過本征應變疊加來獲得構件大面積多點激光沖擊的應變場,并采用一個熱彈性模型來獲得最后的殘余應力場和塑性變形。

近幾年,國內外相關學者將該模型用于不同復雜構件激光沖擊強化殘余應力場的數值模擬。采用這種本征應變模型相比傳統模型的計算效率大大提高,建立的模型能有效預測激光沖擊誘導的殘余應力場。

作者簡介： 石偉,男,工學博士,清華大學機械工程系副教授。主要研究領域為金屬材料組織應力控制,熱處理數值模擬,制造系統仿真優化。負責與承擔國家國際科技合作項目、國家自然科學基金面上項目,重點研發計劃項目、973計劃項目、“十一五”國家科技支撐計劃項目課題。與企業合作完成多項熱加工工藝模擬與工藝優化項目。獲得教育部科學技術進步二等獎1項、北京市教育教學成果(高等教育)二等獎1項。