鈦合金因重量輕、強度高而被用于航空航天制造，但這些材料特性在加工時卻遇到了問題。之前，德國亥姆霍茲澤特姆赫倫材料力學研究所的研究人員花了兩年時間，試圖通過激光噴丸成型來克服。他們的研究成果發(fā)表在《材料加工技術(shù)雜志》上，并與合作伙伴FormtechGmbH、Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung（ZAL）GmbH 和呂訥堡盧芬納大學產(chǎn)品與工藝創(chuàng)新研究所繼續(xù)合作。

　　目前來看，激光噴丸成型可能有利于某些飛機部件的生產(chǎn)制造，這些部件的特點是必須以曲面成型，例如機翼前部、機尾部分和機身結(jié)構(gòu)。

　　材料力學研究所激光材料加工與結(jié)構(gòu)評估系博士生Siva Teja Sala 說：“當前許多服役飛機上的這些零件都是由輕質(zhì)高強度合金Ti-6Al4V 制成。然而，這種合金的挑戰(zhàn)在于它不太容易使用。如果嘗試用傳統(tǒng)的熱沖壓或增量板材成形，會出現(xiàn)‘回彈’現(xiàn)象——當成型部件從成型工藝的載荷和約束中釋放時，部件就會出現(xiàn)肉眼可見的幾何變化。因此，工程師們必須在設(shè)計時就考慮到回彈的存在，并適應零件變形后的公差，這是難以置信的挑戰(zhàn)。”

　　由于材料會有回彈，業(yè)界在傳統(tǒng)成形鈦合金板時會經(jīng)常遇到這種問題，而像航空航天行業(yè)又對公差要求極其嚴格，導致很多零件經(jīng)常不得不報廢。

　　Sala 說：“這對于大規(guī)模生產(chǎn)來說根本不理想。因此航空航天制造商目前正在尋找一種可行的、具有成本效益的修正過程，以控制這些公差。激光噴丸成型就是理想的選擇。它非常靈活，只需要有限的固定裝置或夾持系統(tǒng)（不需要巨大機械裝置），所需要的只是一個脈沖激光器和一個能夠處理零件的機器人。與傳統(tǒng)工藝相比，這項技術(shù)對能耗的需求相當?shù)汀?rdquo;

　　對此，薩拉和他的同事們開始在“PEENCOR ”項目的框架內(nèi)研究激光噴丸成型。該項目旨在糾正在生產(chǎn)曲面的鈦合金飛機零件時出現(xiàn)的不可避免的公差變形，回彈只是其中一個。另外，該項目還開發(fā)一種自動化的激光噴丸成型工藝，以測量這些復雜的公差變形，并按照規(guī)定進行修正以減少廢品和零件報廢，提高整體生產(chǎn)率。

　　據(jù)Sala 說，該項目成立的另一個原因是，以前探索激光噴丸成型的大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)文獻都是在加工鋁合金的背景下進行的，而鋁合金成形要比鈦合金成型簡單得多。因此，由于只有少數(shù)資料實際研究了鈦合金的激光噴丸成型，我們想對工藝參數(shù)及其對這種具有挑戰(zhàn)性的材料曲面的影響進行全面評估。

　　受控的微型爆炸

　　研究人員的實驗涉及到使用脈沖激光器照射鈦合金部件樣品的表面。該部件本身被保護性鋼箔所覆蓋，以產(chǎn)生一個等離子體，在表面引起微型爆炸。

　　“我們利用材料表面上的層狀水流來對抗這種爆炸，這就造成了一種向下滲透到材料中的壓力波，”Sala 解釋說，“壓力波是如此強烈，以至于它實際上可以使材料彎曲。通過調(diào)整激光器的參數(shù)，可以控制鈦合金板材發(fā)生彎曲的程度。”

　　如果沒有水層，該過程的效率將降低約50%，因為一半的能量將被引導離開鈦合金表面。因此，如果未來這項技術(shù)擴大到工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模，那么在加工過程中就必須添加水。研究人員使用的激光系統(tǒng)是Quantel 精心設(shè)計的Nd:YAG 1064nm 激光器，能夠產(chǎn)生頻率為10Hz、持續(xù)時間為10-20ns 的5J 脈沖，光束均勻，橫截面為1mm2。

　　Sala 繼續(xù)說道：“這相當于高達25GW/cm2 的強度。之后，團隊計劃在這個系統(tǒng)中增加更多的功率——使用10J 脈沖而不是5J 脈沖——因為目前使用的鈦材料不是最佳的。通過這項工作，我們發(fā)現(xiàn)激光功率密度是影響板材彎曲的最重要因素之一。如果只需要半毫米的變形，在適當?shù)墓β拭芏认峦ㄟ^激光噴丸成型就可以實現(xiàn)這一點，而且比傳統(tǒng)方式更精確。”

　　當被問及這項技術(shù)是否會面臨超快激光紋理應用所面臨的類似產(chǎn)能的問題時，Sala 表示，目前，處理一個20mm2 的正方形需要大約1 分鐘的時間，因此制作1m2肯定需要相當長的時間。有可能使用多個激光器或掃描技術(shù)引導的激光器，但需要做進一步的實驗，因為與目前使用的設(shè)置相比，這將影響脈沖與表面的相互作用。

　　工業(yè)應用

　　據(jù)Sala 說，在航空航天行業(yè)開展這項工作時面臨的特殊挑戰(zhàn)是嚴格的零件公差要求，這要求任何零件上都不能存在任何表面缺陷。零件表面不能出現(xiàn)任何裂紋，因此，實現(xiàn)關(guān)鍵的過程控制是極其重要的，也是相當具有挑戰(zhàn)性的。

　　這就是需要保護性鋼箔的原因，因為有了它就可以實現(xiàn)非常好的表面光潔度，與鈦合金表面的未處理區(qū)域無異。如果沒有它，處理過的區(qū)域上會形成了1.5μm的氧化表面，其中含有不良的微裂紋，在疲勞載荷下會增加部件失效的風險。此外，激光噴丸處理后留在材料中的殘余應力會沿著材料厚度滲透進入材料。與沒有保護膜處理相比，材料的性能會更好。

　　雖然激光噴丸在工業(yè)規(guī)模上的應用仍處于早期階段，但該應用已吸引了許多行業(yè)的興趣，包括海事和航空航天部門。Sala 表示，在這些領(lǐng)域取得長足進展的商業(yè)公司之一是LSP Technologies，該公司一直在試驗不同的應用，例如糾正齒輪軸變形、延長噴氣發(fā)動機葉片的壽命，甚至在海軍艦艇上處理鋁板。此外，該公司還與空中客車等合作開發(fā)了一種便攜式激光噴丸系統(tǒng)，用于對飛機較難到達的區(qū)域進行維護。

　　“空客和漢莎等大型航空企業(yè)正在試驗這項技術(shù)，”但他補充道：“如果能取得一致、可靠的結(jié)果并能通過適當?shù)臋?quán)威機構(gòu)證明，那么在真正大面積應用這項技術(shù)前，這些公司通常會保密。”

　　Sala 說，盡管激光噴丸成型在工業(yè)上顯示出巨大的市場前景，但該工藝確實對其適用性提出了一些挑戰(zhàn)，因為它需要針對每個使用情況進行定制。因此，傳統(tǒng)的過程優(yōu)化策略應該被先進的人工智能或機器學習方法所取代，以實現(xiàn)最大程度的自動化。他所在的團隊正在做的這項工作有足夠的定量數(shù)據(jù)來開發(fā)工藝規(guī)劃算法，這些算法可以顯著提高激光噴丸的自動化程度，這就是目前在“PEENCOR項目”范圍內(nèi)進行這項工作的原因。

　　總體而言，Sala 認為，盡管激光噴丸無法完全取代傳統(tǒng)的成型技術(shù)，尤其是因為許多公司已經(jīng)在傳統(tǒng)成型設(shè)備上投資了數(shù)千萬美元。但激光噴丸成型作為一種極其精確的矯正工藝應用有著巨大前景，同時也具有巨大的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)潛力。

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