激光冲击强化技术的发展

20世纪70年代初，美国巴特尔学院（Battelle Memorial Institute）的B.P. Fairand 等人首次采用高功率脉冲激光诱导的冲击波来改变7075 铝合金的显微结构组织，以提高其机械性能，从此揭开了用激光冲击强化应用研究的序幕。

20世纪90年代，激光冲击强化技术得到了大力开发与快速发展，被美国军方和工业界陆续应用一些典型的战斗机/ 轰炸机发动机和商用客机发动机风扇/ 压气机叶片与整体叶盘上。与此同时，世界激光冲击强化技术的研究与应用人员从2008年起每2年组织1届国际激光冲击强化技术研讨会，对激光冲击强化的基础理论、工艺的数值模拟、工艺的试验验证、由LSP条件造成的机械特性等方面进行深入探讨。这些标志着激光冲击强化技术越来越得到世界的关注。

1 在风扇/压气机叶片上的应用与发展

20世纪90年代初，配装B-1B轰炸机的F101发动机因风扇叶片断裂引发了多次重大飞行事故。其原因，是第1级钛合金风扇叶片前缘被吞入发动机的硬外来物打伤，造成疲劳强度由要求的75ksi（518MPa）左右下降到20ksi（138MPa）以下，进而引发疲劳断裂。为了避免该类故障的发生，美国空军地勤人员在F101发动机每飞行25h和每天第1次飞行前对所有风扇叶片进行1次能够发现0.127mm裂纹的精细检查。1994年，为了完成上述检查和保证B-1B轰炸机安全飞行，美国空军花费了100多万维护人时和1000多万美元。

1994年12月，美国正式实施“高循环疲劳科技计划”，以帮助消除飞机涡轮发动机的高循环疲劳故障。作为该计划的关键技术，激光冲击强化等部件表面处理技术得到了大力开发和验证。同时，在美国国防部的制造技术（ManTech）研究计划下，GE公司和激光冲击强化技术（LSPT）公司合作也开发激光冲击强化技术，以提高钛合金风扇叶片的耐久性和降低其对外来物损伤的敏感性。

LSPT公司首先进行了喷丸强化与激光冲击强化对F101-GE-102发动机风扇叶片疲劳特性影响的比较研究[5-7]。疲劳试验结果（见图2）表明：基准的无损伤的叶片在80ksi（552MPa）下在106个循环失效；带有凹口的未处理的叶片在20~30ksi（138~207MPa）下失效；双强度喷丸强化的叶片的平均失效应力估算值为35ksi(242MPa) ；高强度喷丸强化的叶片的平均失效应力估算值为45ksi（311MPa）；而激光冲击强化的带凹口的叶片的平均失效应力为100ksi(690MPa)，高于没有损伤的叶片的失效应力；甚至激光冲击强化的带放电加工的凹口的叶片的平均失效应力为75~80ksi（518~552MPa）。激光冲击强化部件疲劳强度改进数据也表明，与基准的未损伤、未处理的风扇叶片相比，有6.35mm 切口损伤的F101 发动机风扇叶片经激光冲击强化后的疲劳强度等于或高于未受损伤、未处理的叶片的疲劳强度。也就是说，激光冲击强化能够恢复受损伤的风扇叶片的结构完整性，保证风扇叶片连续且安全地工作，甚至有最大到6.35mm 的外来物损伤缺陷的F101发动机风扇叶片也可以继续使用。

#p#分页标题#e#
 

1995年，LSPT公司得到美国空军的批准，开始研制生产型激光冲击强化系统。在解决了激光的光学布局、系统诊断的选择、激光箱体与电子箱体的机械设计等问题后，LSPT公司成功地开发了由激光室与处理室组成的原型生产型激光系统。1997年，GE公司引进了LSPT公司设计与制造的4套激光冲击强化系统，并开始对F101发动机第1级风扇叶片进行冲击强化。经过激光冲击强化的F101-GE-102 发动机风扇叶片的深处产生压缩应力（是常规喷丸冲击强化的4倍），阻止了裂纹的起始和扩展，实现了由目视检查取代精细检查，大大节省了使用与维护费用。据报道，采用这一技术，空军每年可以节省1000万美元的替换、修理与维护费用，并且由于避免大约42次左右的致命性发动机故障而节省4000 万美元的发动机费用。

尽管取得了巨大成功，但是处理速度慢和处理费用高两大不足严重地限制了激光冲击强化技术的推广与应用。其原因包括以下2点：

（1）涂敷和去除不透明涂层在进行激光冲击强化的激光强化间外面进行，多次冲击就需要反复搬运，造成劳动强度大和工作时间长。

（2）圆形激光束光点的重迭面积大（如果要实现100% 覆盖待处理表面，圆形激光束光点的重迭面积要高达30%），增加了处理时间。

为此，在ManTech研究计划的激光冲击强化分研究计划下，LSPT公司开发了耐用的预生产型的激光冲击系统。LSPT公司开发并验证了由喷涂专用不透明涂覆层、覆盖水膜、发射激光脉冲和去除与清洁下一次要处理的表面4个步骤构成的RapidCoaterTM系统，使费用减少30%~40%，处理效率提高4~6倍，并将其集成到激光强化系统中；开发了监控快速涂敷系统在零件表面涂敷涂层质量的控制器与监控器，以确保可靠且一致的性能；研制了减少激光束光点重叠的由圆形光点转变为矩形光点的专门光学装置；研制了与涂敷工艺同步、与激光控制系统联接、指示控制光束形状的光学装置发出矩形光点的控制系统；建造了包括新的激光控制器、激光监控器、半自动强化间、激光系统的2个经济可承受的激光冲击强化间。这大大提高了工艺可靠性，降低了工艺成本，改善了激光束能量、时间分布和空间分布。

随着技术的不断进展，激光冲击强化又被推广应用到配装F-16A/B战斗机的F110-GE-100 发动机、配装F-16C/D 的F110-GE-129 发动机、正在研制的JSF120 发动机、配装F-15战斗机的F100-PW-220 发动机、配装波音777 客机的Trent800 发动机、配装波音787的TRENT1000发动机的风扇/压气机叶片上。这一技术使FOD容限提高15倍，检验的工时与费用大大减少，飞行安全明显改善。据报道，应用于F110-GE-100和F110-GE-129 发动机，为空军每年节省了上百万美元的维护费用，并且估计避免了较多的致命性的发动机故障。到2002年，已经节省了5900万美元。预计，在美国空军机队的寿命期内可节省10亿美元。美国金属表面工程公司（MIC）公司将激光冲击强化技术用于军民用喷气发动机叶片以延长其疲劳寿命，不但提高了飞机发动机的安全可靠性，而且每月可节约几百万美元的飞机保养费用、节约几百万美元的零件更换费用。