激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)又稱激光噴丸,是一種新型有效、發(fā)展迅速的表面改性技術(shù)。與傳統(tǒng)機(jī)械噴丸技術(shù)相比,它能在工件表面形成更深的殘余壓應(yīng)力層,并且可控性強(qiáng)、適應(yīng)性好,能夠處理難以處理的部位。目前,該技術(shù)已廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)葉片、齒輪、核電站壓力焊縫等抗疲勞制造。隨著激光設(shè)備價格的進(jìn)一步下降,激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用。
激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)工程應(yīng)用廣泛
1972年,美國首次采用高功率激光誘導(dǎo)的沖擊波來處理高強(qiáng)鋁合金,發(fā)現(xiàn)其表面微觀組織發(fā)生改變,抗拉強(qiáng)度提高30%以上,從此揭開了激光沖擊強(qiáng)化研究的序幕。20世紀(jì)80年代后期,歐洲、日本、以色列等國家和地區(qū)紛紛開展了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究。
1995年,世界上第一家激光沖擊處理技術(shù)公司在美國創(chuàng)立。1997年,美國通用公司采用激光沖擊處理技術(shù)處理飛機(jī)發(fā)動機(jī)風(fēng)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(shù)公司對Rolls-Royce公司的800多個發(fā)動機(jī)進(jìn)行了激光沖擊強(qiáng)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(fā)動機(jī)鈦合金損傷葉片進(jìn)行了激光噴丸修復(fù)研究,其疲勞強(qiáng)度提升了兩倍。同年,美國正式頒布了激光沖擊處理規(guī)范,該技術(shù)被應(yīng)用于波音777的葉片處理。2012年,美國成功開發(fā)出移動式激光沖擊處理設(shè)備,可以進(jìn)入工業(yè)現(xiàn)場提供實時服務(wù)。2002年,日本東芝公司利用小型激光器處理核反應(yīng)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(fā)動機(jī)整體葉盤
國外有學(xué)者還將激光沖擊處理技術(shù)用于強(qiáng)化生物醫(yī)用金屬和合金,提高永久植入物硬度、屈服強(qiáng)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(nèi)從20世紀(jì)90年代開始激光沖擊處理技術(shù)的研究,主要針對鋁合金和鋼材進(jìn)行一系列試驗研究和相關(guān)理論研討。從1992年起,南京航空航天大學(xué)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作,開展了航空結(jié)構(gòu)件激光沖擊強(qiáng)化抗疲勞制造研究。1995年,國內(nèi)首臺單次激光沖擊實驗用的激光沖擊強(qiáng)化裝置在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制成功。2008年,空軍工程大學(xué)聯(lián)合西安光電技術(shù)發(fā)展有限公司、北京鐳寶光電技術(shù)有限公司研制成功了我國第一條連續(xù)脈沖激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)線。2011年,我國首套整體葉盤激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)設(shè)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(fā)動機(jī)有限公司投入使用。
激光沖擊強(qiáng)化的機(jī)理與影響因素
當(dāng)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(fā)生爆炸性氣化蒸發(fā),產(chǎn)生高溫(>107 K)、高壓(>1GPa)的等離子體層。激光沖擊強(qiáng)化利用了高壓等離子層施加在靶材上沖擊載荷所產(chǎn)生的向材料內(nèi)部傳播的強(qiáng)沖擊波。
激光沖擊強(qiáng)化機(jī)理示意圖
目前使用的約束層材料主要有K9光學(xué)玻璃、有機(jī)玻璃和水流層等。玻璃類材料約束層效果最好,但是適應(yīng)性差,會發(fā)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(yè)應(yīng)用采用水流層作為約束層,其具有適用性強(qiáng)、成本低、操作方便、無需更換等優(yōu)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(qiáng)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(qiáng)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(shù)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(xiàn)象。只有根據(jù)材料特性選擇合理的約束層、能量吸收層及激光沖擊參數(shù)等工藝參數(shù),才能得到較好的強(qiáng)化效果。
激光沖擊強(qiáng)化數(shù)值模擬
數(shù)值模擬有助于獲得特定應(yīng)用場合最優(yōu)的工藝參量,已逐漸成為研究激光沖擊強(qiáng)化的重要手段。國內(nèi)外學(xué)者針對激光沖擊強(qiáng)化的建模及其優(yōu)化做了大量的研究工作。目前業(yè)界在顯式動態(tài)分析+隱式靜態(tài)分析激光沖擊強(qiáng)化數(shù)值模擬法,以及基于本征應(yīng)變的激光沖擊強(qiáng)化數(shù)值模擬法等方面都取得了長足進(jìn)展。
當(dāng)高壓等離子層沖擊靶材后,沖擊區(qū)域材料發(fā)生高應(yīng)變率塑性變形,結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化非常快,是一個高度非線性的高速動力學(xué)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(chǎn)生的應(yīng)力波。特別是綜合采用顯式、隱式有限元分析方法,進(jìn)行沖擊波作用下材料動態(tài)響應(yīng)過程的數(shù)值模擬,有利于獲得準(zhǔn)確的殘余應(yīng)力場預(yù)測結(jié)果。
采用單點激光沖擊殘余應(yīng)力計算及疊加方法對大面積區(qū)域的多點搭接激光沖擊進(jìn)行模擬計算時,總的計算量往往非常巨大,需要花費(fèi)大量的時間才能得到試件的殘余應(yīng)力場。此外,由于工件幾何尺寸對殘余應(yīng)力場的影響較大,采用應(yīng)力疊加的方法難以準(zhǔn)確模擬形狀復(fù)雜曲面的真實構(gòu)件多點搭接激光沖擊強(qiáng)化的殘余應(yīng)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(yīng)變的數(shù)值模型來進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化殘余應(yīng)力場的模擬。該模型認(rèn)為激光沖擊在構(gòu)件表層形成的本征應(yīng)變對構(gòu)件幾何形狀不敏感,模擬過程只關(guān)注激光沖擊誘導(dǎo)的塑性應(yīng)變,通過本征應(yīng)變疊加來獲得構(gòu)件大面積多點激光沖擊的應(yīng)變場,并采用一個熱彈性模型來獲得最后的殘余應(yīng)力場和塑性變形。
近幾年,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者將該模型用于不同復(fù)雜構(gòu)件激光沖擊強(qiáng)化殘余應(yīng)力場的數(shù)值模擬。采用這種本征應(yīng)變模型相比傳統(tǒng)模型的計算效率大大提高,建立的模型能有效預(yù)測激光沖擊誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力場。
作者簡介： 石偉,男,工學(xué)博士,清華大學(xué)機(jī)械工程系副教授。主要研究領(lǐng)域為金屬材料組織應(yīng)力控制,熱處理數(shù)值模擬,制造系統(tǒng)仿真優(yōu)化。負(fù)責(zé)與承擔(dān)國家國際科技合作項目、國家自然科學(xué)基金面上項目,重點研發(fā)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(yè)合作完成多項熱加工工藝模擬與工藝優(yōu)化項目。獲得教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎1項、北京市教育教學(xué)成果(高等教育)二等獎1項。
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