激光沖擊強化(Laser Shock Peening，LSP) 技術是利用強脈沖激光產生的沖擊波，從部件表面引入殘余壓應力的一種革新且最熱門的表面強化技術。該技術在部件表面形成的殘余壓應力深度比常規噴丸強化處理的深5~10倍，具有提高抗疲勞強度、延長疲勞壽命、抑制裂紋的形成與擴展、提高抗微動疲勞/抗磨損/ 抗應力腐蝕斷裂特性等特點。經過多年的開發與研究，美國于1997年將激光沖擊強化技術成功應用于航空發動機風扇/ 壓氣機葉片，大幅度地提高了其抗外物損傷能力和高循環疲勞性能，并且于1998年美國研發雜志評為全美100項最重要的先進技術之一，被美國軍方認定為第4代戰斗機發動機的80項關鍵技術之一。2003年以來，該技術又應用到F119發動機等第4代戰斗機發動機高壓壓氣機整體葉盤上，目前正在研究應用于包括激光難以進入區域的航空發動機輪盤等部件上[1-4]。

激光沖擊強化技術原理與特點 

       激光沖擊強化技術的原理，是采用短脈沖（幾十納秒）的強激光輻射金屬部件表面涂覆的約束層（如流動的水等），并通過約束層作用于金屬表面涂覆的不透明涂覆層（如黑漆或膠帶），涂覆層吸收激光能量發生爆炸性汽化蒸發，蒸發的氣體吸收剩余的激光產生快速膨脹的等離子流，限定在部件表面與約束層間的等離子流產生急速增大的高壓沖擊波，沖擊波產生的“冷作用”作用于金屬表面并向內傳播，形成由塑性變形引發的殘余壓應力[5-10]。當沖擊波的峰值壓力超過被處理材料動態屈服強度時，材料表層不產生應變硬化，殘留很大應力，同時微觀組織發生很大的變化，顯著提高材料的抗疲勞、耐磨損和防應力腐蝕特性。 

       雖然與常規噴丸強化類似，激光沖擊強化技術也是通過在金屬部件的表面產生有益的殘余壓應力提高部件的抗疲勞與耐損傷特性，但是由于引入殘余壓應力的方法不同，激光沖擊強化技術處理的部件明顯優于常規噴丸強化處理的部件。 

（1）激光沖擊強化一般采用釹玻璃、YAG 及紅寶石的高功率脈沖式激光器。所產生激光的波長為1.054μm，脈沖寬度為8~40ns，脈沖能量達50J，激光點直徑為5~6mm，功率密度為5~10GW/cm2，這是常規的機械加工難以達到的。 

（2）激光沖擊強化主要利用高壓力效應，具有無滲入或沉積污染、非接觸、無熱影響區及強化效果顯著等特點。 

（3）激光沖擊強化后部件的表面硬度通常比常規處理方法的高10%~50％，可以獲得極細的硬化層組織；硬化層深度通常為1~1.5mm，明顯深于利用噴丸強化處理的部件的硬化層深度[6-7]。 

（4）激光沖擊強化能夠使部件的疲勞壽命明顯延長和抗疲勞強度提高。激光沖擊強化處理和噴丸強化處理的7075 － T7351鋁試樣試驗結果表明，激光沖擊強化處理后部件的疲勞壽命延長1個量級，抗疲勞強度提高30%~50%。 

（5）激光沖擊強化能夠提高高溫下殘余應力的穩定性。高溫對激光沖擊強化處理的Ti8Al1V1Mo殘余應力釋放的影響。結果表明在高溫下暴露4h后，其殘余應力沒有恢復。INCONEL718、Ti6Al4V 等其他一些材料在激光沖擊強化處理后也呈現相似的結果。 

（6）激光沖擊強化能夠明顯延長部件的高循環疲勞強度，如圖1 所示。 

（7）激光沖擊強化應用范圍寬。其不僅對各種鋁合金、鎳基合金、不銹鋼、鈦合金、鑄鐵以及粉末冶金等均有良好的強化效果，還可以利用激光束的精確定位處理一些受幾何形狀約束而無法進行噴丸處理的部位（如小槽、小孔和輪廓線等）。因而，該技術廣泛應用于航空工業、汽車制造、醫療衛生、海洋運輸和核工業等領域。 

（8）激光沖擊處理能對表面局部區域進行沖擊強化且可在空氣中直接進行，因而具有對工件尺寸、形狀及所處環境適應性強，工藝過程簡單，控制方便且靈活等特點。

激光沖擊強化技術的發展 

        20世紀70年代初，美國巴特爾學院（Battelle Memorial Institute）的B.P. Fairand 等人首次采用高功率脈沖激光誘導的沖擊波來改變7075 鋁合金的顯微結構組織，以提高其機械性能，從此揭開了用激光沖擊強化應用研究的序幕。 

       20世紀90年代，激光沖擊強化技術得到了大力開發與快速發展，被美國軍方和工業界陸續應用一些典型的戰斗機/ 轟炸機發動機和商用客機發動機風扇/ 壓氣機葉片與整體葉盤上。與此同時，世界激光沖擊強化技術的研究與應用人員從2008年起每2年組織1屆國際激光沖擊強化技術研討會，對激光沖擊強化的基礎理論、工藝的數值模擬、工藝的試驗驗證、由LSP條件造成的機械特性等方面進行深入探討。這些標志著激光沖擊強化技術越來越得到世界的關注。 

1 在風扇/壓氣機葉片上的應用與發展 

       20世紀90年代初，配裝B-1B轟炸機的F101發動機因風扇葉片斷裂引發了多次重大飛行事故。其原因，是第1級鈦合金風扇葉片前緣被吞入發動機的硬外來物打傷，造成疲勞強度由要求的75ksi（518MPa）左右下降到20ksi（138MPa）以下，進而引發疲勞斷裂。為了避免該類故障的發生，美國空軍地勤人員在F101發動機每飛行25h和每天第1次飛行前對所有風扇葉片進行1次能夠發現0.127mm裂紋的精細檢查。1994年，為了完成上述檢查和保證B-1B轟炸機安全飛行，美國空軍花費了100多萬維護人時和1000多萬美元。 

       1994年12月，美國正式實施“高循環疲勞科技計劃”，以幫助消除飛機渦輪發動機的高循環疲勞故障。作為該計劃的關鍵技術，激光沖擊強化等部件表面處理技術得到了大力開發和驗證。同時，在美國國防部的制造技術（ManTech）研究計劃下，GE公司和激光沖擊強化技術（LSPT）公司合作也開發激光沖擊強化技術，以提高鈦合金風扇葉片的耐久性和降低其對外來物損傷的敏感性。 

       LSPT公司首先進行了噴丸強化與激光沖擊強化對F101-GE-102發動機風扇葉片疲勞特性影響的比較研究[5-7]。疲勞試驗結果（見圖2）表明：基準的無損傷的葉片在80ksi（552MPa）下在106個循環失效；帶有凹口的未處理的葉片在20~30ksi（138~207MPa） 下失效；雙強度噴丸強化的葉片的平均失效應力估算值為35ksi(242MPa) ；高強度噴丸強化的葉片的平均失效應力估算值為45ksi（311MPa）；而激光沖擊強化的帶凹口的葉片的平均失效應力為100ksi(690MPa)，高于沒有損傷的葉片的失效應力；甚至激光沖擊強化的帶放電加工的凹口的葉片的平均失效應力為75~80ksi（518~552MPa）。激光沖擊強化部件疲勞強度改進數據也表明，與基準的未損傷、未處理的風扇葉片相比，有6.35mm 切口損傷的F101 發動機風扇葉片經激光沖擊強化后的疲勞強度等于或高于未受損傷、未處理的葉片的疲勞強度。也就是說，激光沖擊強化能夠恢復受損傷的風扇葉片的結構完整性，保證風扇葉片連續且安全地工作，甚至有最大到6.35mm 的外來物損傷缺陷的F101發動機風扇葉片也可以繼續使用。

       1995年，LSPT公司得到美國空軍的批準，開始研制生產型激光沖擊強化系統。在解決了激光的光學布局、系統診斷的選擇、激光箱體與電子箱體的機械設計等問題后，LSPT公司成功地開發了由激光室與處理室組成的原型生產型激光系統。1997年，GE公司引進了LSPT公司設計與制造的4套激光沖擊強化系統，并開始對F101發動機第1級風扇葉片進行沖擊強化。經過激光沖擊強化的F101-GE-102 發動機風扇葉片的深處產生壓縮應力（是常規噴丸沖擊強化的4倍），阻止了裂紋的起始和擴展，實現了由目視檢查取代精細檢查，大大節省了使用與維護費用。據報道，采用這一技術，空軍每年可以節省1000萬美元的替換、修理與維護費用，并且由于避免大約42次左右的致命性發動機故障而節省4000 萬美元的發動機費用。 

       盡管取得了巨大成功，但是處理速度慢和處理費用高兩大不足嚴重地限制了激光沖擊強化技術的推廣與應用。其原因包括以下2點： 

（1）涂敷和去除不透明涂層在進行激光沖擊強化的激光強化間外面進行，多次沖擊就需要反復搬運，造成勞動強度大和工作時間長。 

（2）圓形激光束光點的重迭面積大（如果要實現100% 覆蓋待處理表面，圓形激光束光點的重迭面積要高達30%），增加了處理時間。 

       為此，在ManTech研究計劃的激光沖擊強化分研究計劃下，LSPT公司開發了耐用的預生產型的激光沖擊系統。LSPT公司開發并驗證了由噴涂專用不透明涂覆層、覆蓋水膜、發射激光脈沖和去除與清潔下一次要處理的表面4個步驟構成的RapidCoaterTM系統，使費用減少30%~40%，處理效率提高4~6倍，并將其集成到激光強化系統中；開發了監控快速涂敷系統在零件表面涂敷涂層質量的控制器與監控器，以確保可靠且一致的性能；研制了減少激光束光點重疊的由圓形光點轉變為矩形光點的專門光學裝置；研制了與涂敷工藝同步、與激光控制系統聯接、指示控制光束形狀的光學裝置發出矩形光點的控制系統；建造了包括新的激光控制器、激光監控器、半自動強化間、激光系統的2個經濟可承受的激光沖擊強化間。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、時間分布和空間分布。 

       隨著技術的不斷進展，激光沖擊強化又被推廣應用到配裝F-16A/B戰斗機的F110-GE-100 發動機、配裝F-16C/D 的F110-GE-129 發動機、正在研制的JSF120 發動機、配裝F-15戰斗機的F100-PW-220 發動機、配裝波音777 客機的Trent800 發動機、配裝波音787的TRENT1000發動機的風扇/壓氣機葉片上。這一技術使FOD容限提高15倍，檢驗的工時與費用大大減少，飛行安全明顯改善。據報道，應用于F110-GE-100和F110-GE-129 發動機，為空軍每年節省了上百萬美元的維護費用，并且估計避免了較多的致命性的發動機故障。到2002年，已經節省了5900萬美元。預計，在美國空軍機隊的壽命期內可節省10億美元。美國金屬表面工程公司（MIC）公司將激光沖擊強化技術用于軍民用噴氣發動機葉片以延長其疲勞壽命，不但提高了飛機發動機的安全可靠性，而且每月可節約幾百萬美元的飛機保養費用、節約幾百萬美元的零件更換費用。 

2 在壓氣機整體葉盤轉子上的應用與發展 

       在配裝F-22戰斗機的F119發動機的工程管理研制中，PW公司發現第4級高壓壓氣機整體葉盤轉子存在抗外來物損傷容限裕度明顯不足的問題。要想滿足F-22 戰斗機的性能要求，F119發動機第4級高壓壓氣機整體葉盤轉子的門限值應力強度因子需要提高3倍。如果進行重新設計，估計需要1000萬美元以上的費用，并且需要較長的時間。這不但增加F119發動機的研制費用，更嚴重的是影響了F-22 戰斗機的研制進度。為此，PW公司決定嘗試采用激光沖擊強化技術處理這一費用昂貴且結構復雜的整體葉盤轉子，以提高其抗外來物損傷容限的裕度。 

       由于激光沖擊強化技術最初是針對處理單個葉片開發的，這就需要實現由處理單個葉片擴展到處理復雜結構的整體葉盤轉子的轉變。首先，LSPT公司與PW公司一起確定新的工藝參數，疲勞試驗與生產質量保證程序；開發適用于整體葉盤處理的透明的和不透明的涂覆層。2003年3月，LSPT公司采用人工涂覆不透明涂覆層的方法，開始對F119發動機的第4級高壓壓氣機整體葉盤進行激光沖擊強化處理[6,11]。同年，美國空軍和PW 公司為F-22戰斗機建立了價值2億美元的激光沖擊強化生產線。由于在LSPT公司的自動RapidCoater™ 涂層涂敷機投入使用前要采用膠帶法完成定型試驗，最初的生產還是采用膠帶涂覆法。到2005年2月底，LSPT公司已經向PW公司交付了經過激光沖擊強化的96個F119發動機的第4級高壓壓氣機整體葉盤。經過激光沖擊處理后，有微裂紋與疲勞強度不夠的受損傷葉片的疲勞強度為413.7MPa，完全滿足379MPa的設計要求。經過激光沖擊處理的葉片楔形根部的微動疲勞壽命至少延長25倍以上。 

       由于整體葉盤的幾何形狀復雜，采用膠帶涂覆法進行激光沖擊強化，不但耗時長，而且勞動強度大。為此，需要進行以下一些改進工作： 

（1）改進現有的RapidCoater™系統，采用延長的噴嘴，以方便進入到整體葉盤緊密排列的葉片之間，以此法來處理像整體葉盤這樣結構復雜的部件。 
（2）在整體葉盤激光沖擊強化間增加質量控制監控器，并集成到整體葉盤沖擊強化間內；安置自動的激光束能量校準系統。 
（3）為整體葉盤改進應用于RapidCoater™ 系統的涂覆層。 
（4）建立滿足PW 公司質量系統要求的裝置與處理程序。 

       采用RapidCoater™ 系統，在目前的激光重復率（0.25 Hz）下使生產效率提高2~3倍；采用在ManTech研究計劃下開發的提高激光重復率1~2 倍的技術，使生產效率進一步提高3倍左右；通過降低維護費用、縮短停工時間和提高工藝效率，降低了激光沖擊強化的費用。這樣，基本實現了使F119發動機第4級高壓壓氣機整體葉盤激光強化時間由原來的40h以上縮短到原來的1/9~1/6和費用至少降低50%~70%的目標。 

         2004年，激光沖擊強化技術大量用于F119-PW-100發動機第4級高壓壓氣機整體葉盤等部件的生產，還擴展應用到F119發動機的其他幾級高壓壓氣機轉子上，也應用在聯合攻擊戰斗機的JSF120和JSF119發動機上。到2009年，75%的F119發動機高壓壓氣機整體葉盤都經過了激光沖擊處理。這一技術的應用使F-22戰斗機與F119發動機的維護檢查頻率降低30%~50%，單位飛行費用降低，任務準備等級明顯提高。 

       近期，在美國NAV AIR第二階段的SBIR研究項目下，LSPT公司研究了采用激光沖擊強化處理像葉片榫槽這樣的激光難以進入的區域，以改進其微動磨損與微動疲勞特性[4]。具體方法是減小激光束的尺寸、采用相似動力密度的激光產生深的壓縮應力，通過關節桿將激光束交付到處理槍。在普渡大學的疲勞試驗室采用Ti6Al4V葉片試樣對航空發動機葉片與榫槽間微動磨損與微動疲勞情況進行了模擬。結果表明，激光沖擊強化對表面應力和殘余應力深度都產生了很好的影響，使疲勞壽命延長20~25倍。其收益包括降低激光系統的費用、減小激光系統的占地面積和提高抗微動疲勞的能力。 

結束語 

       隨著技術的不斷成熟和效率的迅速提高，激光沖擊強化將更廣泛地應用在軍用戰斗機/ 轟炸機/ 直升機發動機與商用客機發動機風扇與壓氣機葉片上，在使其抗外物損傷能力大大提高和高循環疲勞壽命明顯延長的同時，也能夠使其成本降低、污染降低和生產效率提高。另外，激光沖擊強化正在逐步擴展到CH-47傳輸齒輪、M-1坦克發動機、 KC-135飛機結構件、大型汽輪機、水輪機葉片以及石油管道、汽車關鍵零部件等領域。因而，其不僅現在是，而且將來很長一段時間內仍然是大有發展潛力的熱門技術。