发展迅猛的激光冲击强化技术

石伟

激光冲击强化技术又称激光喷丸,是一种新型有效、发展迅速的表面改性技术。与传统机械喷丸技术相比,它能在工件表面形成更深的残余压应力层,并且可控性强、适应性好,能够处理难以处理的部位。目前,该技术已广泛应用在航空发动机叶片、齿轮、核电站压力焊缝等抗疲劳制造。随着激光设备价格的进一步下降,激光冲击强化技术将得到更广泛的应用。

激光冲击强化技术工程应用广泛

1972年,美国首次采用高功率激光诱导的冲击波来处理高强铝合金,发现其表面微观组织发生改变,抗拉强度提高30%以上,从此揭开了激光冲击强化研究的序幕。20世纪80年代后期,欧洲、日本、以色列等国家和地区纷纷开展了激光冲击强化技术研究。

1995年,世界上第一家激光冲击处理技术公司在美国创立。1997年,美国通用公司采用激光冲击处理技术处理飞机发动机风扇叶片,大幅提高其抗外物损伤容限。2001年,美国激光冲击处理技术公司对Rolls-Royce公司的800多个发动机进行了激光冲击强化处理。2004年,该公司与美国空军实验室合作,对F/A-22上的发动机钛合金损伤叶片进行了激光喷丸修复研究,其疲劳强度提升了两倍。同年,美国正式颁布了激光冲击处理规范,该技术被应用于波音777的叶片处理。2012年,美国成功开发出移动式激光冲击处理设备,可以进入工业现场提供实时服务。2002年,日本东芝公司利用小型激光器处理核反应堆压力容器和管道接头等焊缝,提高零件的疲劳寿命。

激光冲击处理航空发动机整体叶盘

国外有学者还将激光冲击处理技术用于强化生物医用金属和合金,提高永久植入物硬度、屈服强度和疲劳寿命,降低钙镁合金等可降解植入物的降解速率。

国内从20世纪90年代开始激光冲击处理技术的研究,主要针对铝合金和钢材进行一系列试验研究和相关理论研讨。从1992年起,南京航空航天大学与中国科学技术大学合作,开展了航空结构件激光冲击强化抗疲劳制造研究。1995年,国内首台单次激光冲击实验用的激光冲击强化装置在中国科学技术大学研制成功。2008年,空军工程大学联合西安光电技术发展有限公司、北京镭宝光电技术有限公司研制成功了我国第一条连续脉冲激光冲击强化生产线。2011年,我国首套整体叶盘激光冲击强化系统设备在中科院沈阳自动化研究所研制成功,并交付沈阳黎明发动机有限公司投入使用。

激光冲击强化的机理与影响因素

当功率密度大于10⁹W/cm²、脉冲宽度为纳秒量级的激光束辐射金属表面时,使能量吸收层吸收激光能量并发生爆炸性气化蒸发,产生高温(>10⁷K)、高压(>1GPa)的等离子体层。激光冲击强化利用了高压等离子层施加在靶材上冲击载荷所产生的向材料内部传播的强冲击波。

激光冲击强化机理示意图

目前使用的约束层材料主要有K9光学玻璃、有机玻璃和水流层等。玻璃类材料约束层效果最好,但是适应性差,会发生碎裂,仅适用于单次激光冲击处理。一般激光冲击试验及工业应用采用水流层作为约束层,其具有适用性强、成本低、操作方便、无需更换等优点。除了少部分激光冲击处理过程不使用能量吸收层外,绝大部分需要使用能量吸收层。常用的能量吸收层主要为黑漆、铝箔和黑胶带等汽化热低的材料。黑漆适用性较好,可以用于沟槽、小孔等处的激光冲击强化处理,但是冲击完成后不便于去除,因此一般选用铝箔和黑胶带作为能量吸收层。

影响激光冲击强化效果的因素很多,主要有材料特性、约束层、能量吸收层、激光冲击参数等。如果激光功率密度不变,激光的脉冲宽度越长,那么激光冲击波作用材料的时间也越长,激光冲击处理效果越好。然而,激光的脉冲宽度过大极易造成被冲击处理材料的表面烧损现象。只有根据材料特性选择合理的约束层、能量吸收层及激光冲击参数等工艺参数,才能得到较好的强化效果。

激光冲击强化数值模拟

数值模拟有助于获得特定应用场合最优的工艺参量,已逐渐成为研究激光冲击强化的重要手段。国内外学者针对激光冲击强化的建模及其优化做了大量的研究工作。目前业界在显式动态分析+隐式静态分析激光冲击强化数值模拟法,以及基于本征应变的激光冲击强化数值模拟法等方面都取得了长足进展。

当高压等离子层冲击靶材后,冲击区域材料发生高应变率塑性变形,结构响应变化非常快,是一个高度非线性的高速动力学问题。如果采用隐式有限元算法求解这类问题,不仅需要很大的计算量和存储量,而且计算收敛困难。需要采用显式有限元分析方法来求解等离子冲击产生的应力波。特别是综合采用显式、隐式有限元分析方法,进行冲击波作用下材料动态响应过程的数值模拟,有利于获得准确的残余应力场预测结果。

采用单点激光冲击残余应力计算及叠加方法对大面积区域的多点搭接激光冲击进行模拟计算时,总的计算量往往非常巨大,需要花费大量的时间才能得到试件的残余应力场。此外,由于工件几何尺寸对残余应力场的影响较大,采用应力叠加的方法难以准确模拟形状复杂曲面的真实构件多点搭接激光冲击强化的残余应力场。

为了有效解决这两方面的问题,一些研究者建立了基于本征应变的数值模型来进行激光冲击强化残余应力场的模拟。该模型认为激光冲击在构件表层形成的本征应变对构件几何形状不敏感,模拟过程只关注激光冲击诱导的塑性应变,通过本征应变叠加来获得构件大面积多点激光冲击的应变场,并采用一个热弹性模型来获得最后的残余应力场和塑性变形。

近几年,国内外相关学者将该模型用于不同复杂构件激光冲击强化残余应力场的数值模拟。采用这种本征应变模型相比传统模型的计算效率大大提高,建立的模型能有效预测激光冲击诱导的残余应力场。

作者简介：石伟,男,工学博士,清华大学机械工程系副教授。主要研究领域为金属材料组织应力控制,热处理数值模拟,制造系统仿真优化。负责与承担国家国际科技合作项目、国家自然科学基金面上项目,重点研发计划项目、973计划项目、“十一五”国家科技支撑计划项目课题。与企业合作完成多项热加工工艺模拟与工艺优化项目。获得教育部科学技术进步二等奖1项、北京市教育教学成果(高等教育)二等奖1项。