激光噴丸（激光沖擊強化）是一種用于開發(fā)零件和組件材料中增加有益殘余應(yīng)力的工藝。這些殘余應(yīng)力有效地提高了材料對表面相關(guān)故障的抵抗力，例如疲勞、微動疲勞和腐蝕開裂。

　　激光噴丸系統(tǒng)結(jié)合了激光、機器人、水和軟件，可延長飛機、發(fā)電廠、核反應(yīng)堆、燃料罐和其他機械磨損常見應(yīng)用中部件的使用壽命。在某些情況下，激光噴丸可以將抗疲勞和抗開裂性能提高一個數(shù)量級，并使組件壽命相應(yīng)地增加10倍。

　　更好的刀片

　　激光噴丸基本上是一種機械工藝，類似于在完成的焊接接頭上使用球頭錘以加強材料。“當(dāng)你敲擊某物時，你正在撞擊表面進行塑性變形，”Curtiss-Wright SurfaceTechnologies子公司 Metal Improvement Co.負責(zé)先進技術(shù)的副總裁Lloyd Hackel說，“對材料進行激光噴丸是為了產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而有效地使制造的部件更耐用和抗裂。例如，該技術(shù)對于提高飛機渦輪葉片的壽命十分有效。”

　　Curtiss-Wright將激光噴丸作為一項服務(wù)向客戶提供，并加工了波音777、787商用飛機以及空客A340、A350和商務(wù)飛機發(fā)動機中使用的大型風(fēng)扇葉片。根據(jù)Hackel的說法，激光噴丸的使用部分解釋了為什么這些飛機在20年內(nèi)沒有出現(xiàn)任何葉片疲勞故障。

　　洛克希德馬丁公司還使用Curtiss-Wright 公司的服務(wù)為F-22和F-35戰(zhàn)斗機的部件進行了激光噴丸。除了對承受巨大壓力的風(fēng)扇葉片底部進行噴丸處理外，Curtiss-Wright還對葉片前緣進行噴丸處理，以防止當(dāng)小碎屑被吸入發(fā)動機并撞擊葉片時可能發(fā)生的破裂。

　　激光噴丸工藝的工作原理是在部件材料表面附近產(chǎn)生最大的塑性變形，這也是部件可能破裂的地方。來自脈沖激光的能量最初會在局部點使材料膨脹，隨后導(dǎo)致周圍材料向內(nèi)壓縮，從而產(chǎn)生更密集的部分，致使材料更抗裂。Hackel解釋說，脈沖激光能量不會直接導(dǎo)致材料發(fā)生塑性變形，取而代之的是，激光撞擊材料表面，形成吸收更多傳入能量的等離子體。激發(fā)的等離子體反過來轟擊和噴丸材料表面。

　　然而，等離子體本身在噴丸方面是無效的。噴丸過程中持續(xù)的激光脈沖產(chǎn)生加熱和蒸發(fā)的等離子體的電離云，從表面飛到周圍的空氣中。因此，不足的激光能量被轉(zhuǎn)化為作用在目標(biāo)上的機械力。為了最大限度地減少能量損失，噴丸技術(shù)通常涉及到在材料表面覆蓋一層薄薄的水。水層只有1mm或2mm，再由近紅外波長激光束穿透過水層。

　　“目標(biāo)是限制等離子體并將盡可能多的能量推入材料中。因此，我們使用了水層，”激光噴丸系統(tǒng)和服務(wù)供應(yīng)商LSP Technologies材料研究工程師Micheal Kattoura說。據(jù)Kattoura稱，LSP Technologies使用的是Northrop Grumman子公司Cutting Edge Optronics的二極管泵浦激光器。

　　通過使用脈沖能量、持續(xù)時間和光斑尺寸的最佳組合來實現(xiàn)正確的功率密度非常重要。例如，LSP Technologies的一個系統(tǒng)采用每分鐘發(fā)射20個1053nm脈沖激光，每個脈沖持續(xù)10ns 到20ns。功率密度過高會導(dǎo)致材料損壞，而功率密度過低則無法達到噴丸效果。鋁或鎂等軟質(zhì)材料比高強度鋼等硬質(zhì)材料需要更低的功率密度。Kattoura說，每個脈沖的最大能量很少超過10J。

　　根據(jù)Hackel的說法，Curtiss-Wright依靠內(nèi)部制造為激光噴丸系統(tǒng)生產(chǎn)相干光源。該公司的激光工具利用主振蕩器功率放大器以及受激布里淵散射相位共軛，讓他們可以執(zhí)行實時波前校正。該技術(shù)消除了光束中的失真，并以高達每秒5個脈沖的速率實現(xiàn)了每脈沖高達20J的輸出功率。

　　影響產(chǎn)量

　　與功率密度一樣，當(dāng)激光噴丸較軟的材料（如鋁）時，可以使用較低的功率輸出，這可能只需要1J或2J的脈沖能量。硬鋼可能需要10倍的能量。然而，能量輸出優(yōu)化受影響的不僅僅是被加工的材料。

　　“大能量激光噴丸和低能量激光噴丸的效果不同，”Hackel說，“每個脈沖的高能量很重要，因為它會影響噴丸可以穿透的深度。”穿透深度與光斑大小成正比。獲得足以進行噴丸處理的功率密度的一種方法是將光束聚焦到足夠小的光斑尺寸。但1mm或更小的光斑尺寸也意味著噴丸效果的深度更淺。因此，如果在材料中形成裂縫并開始擴散，它可能更容易擴散。

　　減小光斑尺寸有時會影響產(chǎn)量，因為需要更多的激光照射來處理給定區(qū)域。但同樣，較小的光斑尺寸通?？梢越档兔總€脈沖的能量，這反過來又可以提高重復(fù)率。這種更快“射擊”的能力有助于減少所需的“射擊”次數(shù)，盡管使用的光斑尺寸較小，但仍能獲得相同的產(chǎn)量。

　　未來的發(fā)展方向

　　當(dāng)前，激光噴丸的能力和范圍都在不斷發(fā)展。該技術(shù)的功效一直受限于激光噴丸零件的溫度仍遠低于母材熔點的50%。在高于這些溫度閾值的情況下操作會導(dǎo)致退火，這是材料性能的物理變化有時是化學(xué)變化，可以減少或消除激光噴丸提供的有益壓縮應(yīng)力。

　　Curtiss-Wrigh正在開發(fā)一種潛在的新解決方案將激光噴丸與熱處理相結(jié)合，在基材中產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)變化以鎖定保護應(yīng)力。這種好處是由于沉淀物的形成，沉淀物的作用就像錨一樣，可以防止高溫使噴丸效應(yīng)消失。受益于激光噴丸與微結(jié)構(gòu)工程技術(shù)組合的應(yīng)用，包括噴氣發(fā)動機的葉片和陸基發(fā)電機的渦輪機。

　　另一個有助于擴大激光噴丸范圍的領(lǐng)域是機器人技術(shù)。它使工程師能夠設(shè)計可以在現(xiàn)場處理非常大的零件系統(tǒng)。例如，LSP Technologies開發(fā)了一個由兩個機器人組成的系統(tǒng)。第一個機器人在固定激光器前移動一個組件，從而將激光束放置在需要噴丸的點上。光束僅在噴丸期間開啟，在組件定位時關(guān)閉。第二個機器人將水流流過目標(biāo)，并將其移動和水分散與第一個機器人的動作相協(xié)調(diào)。

　　LSP Technologies的系統(tǒng)旨在將激光噴丸的好處帶到不易運輸?shù)牟考?，例如飛機的機翼。機器人技術(shù)還使激光噴丸能夠處理復(fù)雜形狀的材料和組件。這些系統(tǒng)可以選擇性地將該技術(shù)僅應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)的小部分，同時仍增加結(jié)構(gòu)的整體壽命和可靠性。

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