激光冲击强化技术的发展及应用现状

激光冲击强化(LSP)是一项新的表面强化处理技术。阐述了LSP技术表面强化的工艺优点和应用领域;介绍了国内外激光强化技术、工艺及设备研究和实际应用情况;分析了该技术在应用推广中亟待解决的设备研制、工艺改进等关键问题,并对其未来的应用前景、发展方向做了展望。     

飞秒激光冲击强化技术的研究现状及展望

作为一种微尺度范围内的表面强化技术，飞秒激光冲击强化具有热影响小、冲击深度浅、能量利用率高、工艺灵活等特点，在实现复杂形状微结构表面改性、宏观尺度零件表面微造型、微冲击成形等方面应用优势显著。概述了飞秒激光冲击强化技术的发展历程，总结了冲击模式、激光参数、附加能场等因素对强化效果的影响规律和机理，并对飞秒激光冲击强化技术的潜在应用及发展趋势进行了展望，以为突破飞秒激光冲击强化的关键问题、推动技术的产业化应用提供必要的指导与支持。     

激光冲击强化技术的应用现状与发展

激光冲击强化是一种利用激光诱导等离子体冲击波来提高材料疲劳寿命的新型表面改性技术,具有强化效果显著、可控性强、适应性好等优点,对提高结构可靠性和部件疲劳强度、延长材料使用寿命具有重要作用。近年来,该技术受到了广泛重视,得到了快速发展。本文简要介绍了激光冲击强化技术的基本原理、特点与应用领域;总结了国内外激光冲击强化技术的发展状况与研究成果;并针对国内外激光冲击强化技术的现状,提出了一些现在需要解决的强化工艺问题;最后对激光冲击强化技术的应用前景进行了展望。

     

激光冲击强化技术的研究与应用

本文介绍了激光冲击强化技术这种新型的金属材料表面强化技术,该技术可大幅度提高金属材料的疲劳寿命,为提高传统材料的综合力学性能和服役行为开辟了新路;文章重点论述了该技术在美国的工程应用情况以及国内的研究进展,最后简述了我国首条激光冲击强化生产线相关情况。     

激光冲击强化技术原理及研究发展

激光冲击强化技术(LSP)是一种新型的激光应用表面处理技术。与传统表面改性技术相比,激光冲击强化技术能给材料带来更深的残余应力层,使材料表层晶粒细化甚至出现纳米晶,同时大幅提高材料的疲劳寿命。利用高能激光辐照约束层材料(黑漆、黑胶带或铝箔),约束层材料在瞬间熔融气化并产生高温高压的等离子体。等离子体冲击波是一种爆轰波,可以通过C-J模型计算冲击波的峰值压力。等离子体冲击波在约束层(水、光学玻璃)的约束下向材料内部传播,其压力远远超过了材料的弹性屈服极限,材料经历了弹性-塑性变形,最终材料表面形成稳定的残余应力场并发生微弱的塑性变形。本文介绍了激光冲击强化技术的研究发展历程,在此基础上对该技术发展方向进行了展望。

     

激光冲击中的"应变屏蔽"和"约束击穿"

讨论了约束状态和激光冲击的高压、高能、超快及超高应变率对材料响应之间的2个共性问题。激光冲击时,当被冲击材料本身与表面自由约束层能完全约束受冲击区域表面的宏观形变而不影响强化效应时,称为应变屏蔽,此时被冲击件可视为厚件,材料内部将保留大量的应变微结构;反之,当被冲击材料不能约束冲击能量而产生宏观形变时,称为约束击穿,此时被冲击件可视为薄件,冲击效果以塑性变形为主。最后扼要介绍了这2种现象在材料表面强化和微成形制造领域中的应用。     

激光诱导等离子冲击波改善金属材料疲劳性能及强化机理的研究进展

激光冲击是一种利用等离子冲击波效应的表面强化技术,该技术能显著提高金属材料抗疲劳、磨损、腐蚀等性能。简要阐述了激光冲击强化技术原理、特点及激光诱导的等离子体特性。从激光冲击强化后金属的疲劳行为、强化机理及疲劳延寿机制3个方面总结了国内外激光冲击强化在金属零部件抗疲劳性能方面的研究进展。激光冲击强化机理由最初的残余压应力强化机制转变为目前普遍接受的残余压应力和表面纳米化复合强化机制。冲击后的金属零部件表层硬度显著提高,由表层向内部引入较大的残余压应力,表层晶粒碎化至纳米级,而表面粗糙度基本保持不变,尤其适合表面粗糙度要求较高的最终零部件的强化。在总结疲劳性能研究及强化机理的基础上,对目前激光冲击强化研究中存在的问题进行探讨,并指出下一步研究的关键问题。     

基于激光冲击强化改善增材制造零件残余应力的自动化控制方法

针对金属激光直接沉积增材制造零件产生的残余应力,采用激光冲击强化技术冲击零件表面,有效改善材料的微观组织,提高力学性能,减少或延迟裂纹的形成和扩展,提高金属材料的疲劳寿命、耐磨性和耐腐蚀性。通过搭建由机器人、激光器、光路系统、约束层系统组成的自动化激光冲击强化系统,采用离线编程、加工环境仿真、系统集成控制等方法,并将光路系统置于真空环境中,安全高效地解决了多种零件表面的激光冲击强化工艺过程。     

激光表面改性技术发展研究

激光表面改性技术利用高能量密度的激光束对零部件局部易损易耗区域进行快速处理,获得材料表面所需性能,进而大幅延长零部件使用寿命,已在航空航天、石油化工、能源、交通、冶金等领域获得应用。本文针对激光冲击强化、激光淬火、激光熔覆3种典型的激光表面改性技术,梳理了相应技术特点及国内外应用现状,凝练我国相关技术领域面临的差距与问题,总结激光表面改性技术的重点发展方向:专用合金材料制备、多能场激光复合表面改性、面向现场的激光再制造、激光冲击强化控形控性、激光表面改性智能化、激光表面微结构化。从政府引导、国产化创新、产业链完善、质量评价标准体系、人才培养等方面提出发展建议,以期为我国激光表面改性技术发展提供参考借鉴。     

激光冲击冷轧钼带的微观结构和性能EI北大核心CSCD

对多晶冷轧钼带进行激光冲击成形及其强化,分析了冲击试件的显微硬度和微观组织。结果表明:高应变速率激光冲击实现了脆性多晶冷轧钼带冷成形和改性双重效应;半搭接区域激光冲击强化的多晶钼带表面显微硬度符合高斯函数变化规律,具有更好的冲击强化效果,其显微硬度峰值变化范围为HV265-310;激光冲击强化可提高钼带耐高温性能。     

H13热作模具钢激光表面改性处理技术

介绍了H13热作模具钢的激光表面改性处理技术,分析了激光相变硬化、激光表面熔凝、激光合金化、激光冲击硬化等表面处理的特点及应用,研究了表面激光处理工艺的影响因素,以及激光在模具表面处理中的应用.讨论了表面激光改性处理存在的问题,提出了该领域的研究方向.     

抗疲劳的表面强化技术

飞行器零部件多在交变载荷下服役,易发生疲劳失效。介绍了目前主要应用和在研的三种抗疲劳表面强化技术：喷丸强化、孔挤压强化和激光冲击强化,以及三种技术的工艺特点,设备,研究情况和应用情况。     

激光冲击强化设备控制系统

针对复杂曲面类零件,研发一种新型表面激光冲击强化的控制系统,该系统是一套全自动可控操作系统,通过工控机/PLC集成控制,实现自动化、数字化控制,并完成实时在线监控和信息交互反馈,属于开放式分布系统。该系统用于激光冲击强化核心设备(包括激光器、机器人、辅助控制、质量检测装置与辅助系统等),实现各环节的信息交互和系统的协同工作,通过实时监控系统,远程观察加工状态,有效避免重大事故的发生。同时,该控制系统添加激光冲击强化工艺试验数据记录功能,可根据实际需求调用后台工艺参数数据库,实现高效工艺参数优化。除此之外,该系统还能够实现激光冲击强化模型建立、加工过程有限元模拟、复杂曲面加工轨迹自动规划、加工策略制定等功能,从而实现激光冲击强化自动化生产,目前已经处于工程应用阶段。     

16MnR钢激光冲击工艺及对焊接结构应力腐蚀性能的影响EI北大核心CSCD

对16MnR母材进行激光冲击工艺实验,获得优化的激光冲击工艺参数。对激光-MAG复合焊焊接接头进行表面处理,分析接头激光冲击前后状态的残余应力分布及抗应力腐蚀性能变化。结果表明:对16MnR钢平板经激光冲击处理后,在材料表面最大可引入475μm厚度的塑性变形层,并同时引入-593 MPa的压应力分布。采用优化激光冲击工艺对16MnR钢焊接接头进行表面处理后,可有效减小焊接接头表面的残余拉应力分布。在3.5%NaCl(质量分数)条件下对激光冲击处理前后的接头试样进行慢应变速率应力腐蚀实验,发现激光冲击处理前后16MnR钢焊接接头的应力腐蚀敏感指数I_(SSRT)分别为0.106和0.104,表明激光冲击可以提高接头的抗应力腐蚀能力。     

LY2铝合金激光冲击强化区的力学性能

LY2铝合金塑韧性能差,表面硬高也不高,使其应用受到限制。采用激光束对LY2铝合金表面进行激光冲击强化处理。采用显微硬度计、热模拟试验机和扫描电镜研究了LY铝合金激光冲击强化前后的显微硬度、拉伸力学性能和形貌。结果表明:经1次、3次激光冲击强化后,LY2铝合金的表面硬度分别提高了32%和43%,抗拉强度分别提高了15%和19%,屈服强度分别提高了18%和22%,断后伸长率均分别提高了23%和26%,强化冲击次数对LY2铝合金拉伸力学性能提高程度的影响不明显;激光冲击强化能够提高LY2铝合金的塑韧性。     

方形光斑激光冲击强化金属表面的耐腐蚀性能及机理

使用25J和30J脉冲能量的方形光斑激光冲击强化技术对20CrMnTi钢表面进行强化。测量强化后样品表面的分层设色形貌图、粗糙度、显微硬度和残余应力,研究样品的极化曲线和盐雾腐蚀后的表面形貌。结果表明:激光冲击强化使得表层材料发生塑性变形,试样表面粗糙度Ra降低到0.433μm,显微硬度得到提高,并产生较大的残余压应力。合适的激光功率密度使得材料的强化层和钝化膜的密度增加,产生的横向残余压应力使得钝化膜更加稳定,从而提高材料的耐腐蚀性能。过大的激光功率密度导致材料表面出现压痕、铝箔发生烧蚀等现象,使得Cl-在压痕缺陷处聚集,材料表面局部产生拉应力,表面钝化膜被破坏,加快表面的腐蚀速率。     

激光冲击处理后Ni基高温合金的性能

对Ni基高温合金进行了激光冲击强化处理,测量了处理后Ni基高温合金的残余应力、表面粗糙度分布规律和疲劳强度．结果表明,激光冲击处理后凹坑内残余压应力值为200—400MPa,其分布服从泊松正态分布规律;承载能力比未冲击试样提高大约150MPa;激光冲击区的粗糙度降低一个等级,凹坑内粗糙度数值分布也服从正态分布规律．激光冲击处理后表面出现了组织细化的硬化层,强化效果明显,残余压应力有极大的提高,有效地提高了抗疲劳寿命．     

2024铝合金50％预疲劳后激光冲击强化对微观结构及性能的影响

为了提高2024铝合金疲劳后的性能,先对其进行50%预疲劳再作激光冲击强化处理。采用显微硬度、残余应力测试,EBSD和疲劳试验等技术,研究了2024铝合金50%预疲劳和激光冲击强化后的组织结构和性能;讨论了激光冲击强化提高其预疲劳后性能的机理。结果表明:激光冲击强化可以明显改善2024铝合金50%预疲劳后的疲劳性能,200 MPa疲劳载荷下循环寿命比未强化前提高了1倍多。     

激光冲击强化制备发动机用FGH96镍基高温合金性能分析北大核心CSCD

采用时效工艺处理发动机用FGH96镍基高温合金,利用激光冲击强化方法对其表面进行修复,实验测试分析其组织,残余应力及疲劳寿命。研究结果表明:基体中形成了大量的γ相奥氏体;时效96h后显微组织中产生了大量碳化物,存在沿晶析出。激光冲击强化处理后位于表面附近的晶粒形成更小的尺寸,合金表面晶粒发生明显细化,链状碳化物在晶粒内呈现弥散分布状态,实现FGH96合金的沉淀强化作用,对位错运动产生明显抑制效果。经激光冲击强化处理后试样并未产生新的衍射峰。激光冲击强化可以使试样表面获得更高的残余压应力,使时效试样达到更高的疲劳寿命。激光冲击强化还可以将残余应力引入到基体中,使疲劳裂纹源受到明显抑制,显著降低疲劳裂纹的扩展速度。     

激光冲击强化制备发动机用FGH96镍基高温合金性能分析

采用时效工艺处理发动机用FGH96镍基高温合金,利用激光冲击强化方法对其表面进行修复,实验测试分析其组织,残余应力及疲劳寿命。研究结果表明:基体中形成了大量的γ相奥氏体;时效96h后显微组织中产生了大量碳化物,存在沿晶析出。激光冲击强化处理后位于表面附近的晶粒形成更小的尺寸,合金表面晶粒发生明显细化,链状碳化物在晶粒内呈现弥散分布状态,实现FGH96合金的沉淀强化作用,对位错运动产生明显抑制效果。经激光冲击强化处理后试样并未产生新的衍射峰。激光冲击强化可以使试样表面获得更高的残余压应力,使时效试样达到更高的疲劳寿命。激光冲击强化还可以将残余应力引入到基体中,使疲劳裂纹源受到明显抑制,显著降低疲劳裂纹的扩展速度。