淺談激光沖擊強化技術在航空發動機上的發展和應用

黨文苗　李均紅

摘要：激光沖擊強化技術是一種新興的表面強化技術，由于它相對于噴丸強化工藝，可以使航空發動機零件特別葉片形成深度更深的殘余壓應力層，達1～2mm，是噴丸的5～10倍，并且能使材料表層晶粒細化甚至出現納米晶粒，可提高材料疲勞強度1倍以上。因此，可以大幅度的提高航空發動機葉片的抗疲勞使用壽命。本文對國內外激光沖擊強化技術在航空發動機上的發展和應用現狀進行了分析，為使用單位強化工藝選擇和能力建設起到重要參考意義。

關鍵詞：激光沖擊強化;葉片;疲勞強度;殘余壓應力

1 引言

航空發動機葉片在轉子高速旋轉帶動及強氣流的沖刷下，承受著拉伸、彎曲和振動等多種載荷，特別是位于進氣端的壓氣機葉片或前風扇葉片，被隨氣流進來的異物撞擊后很容易損壞，使發動機失效以至釀成事故。葉片采用強化處理后可以延遲裂紋的萌生，提高葉片的使用壽命。

2 激光沖擊強化技術簡介

激光沖擊強化技術，簡稱LSP，原理是采用短脈沖（幾十納秒）的高峰值功率密度（>109W/cm2）的激光輻照金屬表面，使金屬表面涂覆的吸收保護層吸收激光能量并發生爆炸性氣體蒸發，產生高壓（>1GPa）的等離子體沖擊波，利用沖擊波的力效應使表面材料微觀組織發生變化，在較深的厚度上殘留壓應力，從而顯著提高金屬材料抗疲勞、耐磨損和防應力腐蝕等性能。

由于激光沖擊強化原理類似噴丸，因此也稱作激光噴丸。與傳統的噴丸技術相比，激光沖擊強化具有以下技術優勢：

（1）強化效果更好。激光沖擊強化能產生比傳統噴丸更深的殘余壓應力層（1～2mm），是鋼噴丸的5～10倍，并且能使零件表層材料晶粒細化甚至出現納米晶粒，最終使材料疲勞強度提高1倍以上，進而大幅度提高零件的使用壽命。

（2）可控性強。可通過精確控制光斑大小和位置，對小孔、倒角、焊縫和溝槽等傳統噴丸不易處理的部位進行強化。

3 激光沖擊強化技術發展及應用狀況

激光沖擊強化的研究早在20世紀70年代就開始了，直到上世紀90年代后期，激光沖擊強化才開始在航空發動機上應用。2011年1～3月，美國有多項激光沖擊強化方面的專利公開，如美國GE公司已為美國空軍生產和修理了數萬件經過激光沖擊強化處理的部件。MIC公司作為該技術的主要研制單位，2005年獲美國國防制造最高成就獎，該技術也被認為是四代戰機發動機80項關鍵技術之一。

3.1 國外應用現狀

美國1994年開始實施“高周疲勞科學與技術”研究，經過多年的研究，激光沖擊強化已經在美國飛機、發動機結構疲勞薄弱部位得到了應用，顯著提高了構件的高循環疲勞性能。自1997年已經實現了該技術在航空發動機上的應用，并將其列為第四代戰機發動機關鍵技術。

3.2 國內應用現狀

我國從上世紀九十年代開始對激光沖擊強化技術進行研究。由于國外對大功率激光器研制技術的封鎖，使我國的研究工作變得很困難。進入本世紀后，我國已研制出小功率激光沖擊實驗設備，并開發了激光沖擊的工業控制系統，為該技術在我國的工業應用奠定了堅實基礎。

從2000年開始，國內多所高校和企業也已經將激光沖擊強化技術作為熱點開展了研究，如江蘇大學、空軍工程大學、南京航空航天大學、西安天瑞達公司、沈陽自動化研究所、中航625所等，但由于國內研究起步較晚以及國外的技術封鎖，只是在一些機型上做了一些實驗室研究，真正的工業化應用很少。另外，一些航空發動機單位也采購了激光沖擊集成設備，并使用到某型發動機零部件上，但因設備穩定性差及沖擊時間較長，無法開展大批量加工。

4激光沖擊強化技術目前存在的問題

4.1設備投入高、效率低、穩定性及可靠性較差。

激光沖擊強化成套設備中激光器為最關鍵的部分，但國內設備中激光器存在重復效率低、功率小、脈沖能量低、光斑質量較差等問題，導致設備效率低、穩定性及可靠性較差。美國設備比較成熟，但價格昂貴且屬于禁止向中國出口的敏感裝備。

4.2 工藝過程控制復雜，對操作者技能要求高。

國內激光沖擊強化設備不具有自動涂覆和去除吸收保護層功能，在強化過程中，涂覆和去除吸收保護層主要依靠手工進行，對操作者技能要求很高。

4.3激光沖擊強化評價體系仍不成熟。以美國GE燃氣輪機葉片為例，國外在進行零件激光沖擊強化后，需要進行金相檢查、殘余應力測試、高周疲勞測試、尺寸變形、粗糙度等10余項測試。國內目前尚無完整的標準評價體系。

5總結

（1）激光沖擊強化相比傳統噴丸能在零件材料表面形成更深的壓應力層，強化效果更好，有很好的應用前景。國外已經在航空發動機和燃氣輪機領域上大力推廣使用。國內也已經將該技術作為熱點進行研究。

（2）激光沖擊強化設備投入大，維護費用高，國內設備的可靠性能還需提高。同時，工藝過程控制復雜，整個激光噴丸工藝評價體系尚不成熟。

參考文獻

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