激光喷丸对抗金属零件疲劳

激光喷丸（激光冲击强化）是一种用于开发零件和组件材料中增加有益残余应力的工艺。这些残余应力有效地提高了材料对表面相关故障的抵抗力，例如疲劳、微动疲劳和腐蚀开裂。

激光喷丸系统结合了激光、机器人、水和软件，可延长飞机、发电厂、核反应堆、燃料罐和其他机械磨损常见应用中部件的使用寿命。在某些情况下，激光喷丸可以将抗疲劳和抗开裂性能提高一个数量级，并使组件寿命相应地增加10倍。

更好的刀片

激光喷丸基本上是一种机械工艺，类似于在完成的焊接接头上使用球头锤以加强材料。“当你敲击某物时，你正在撞击表面进行塑性变形，”Curtiss-Wright Surface Technologies子公司 Metal Improvement Co.负责先进技术的副总裁Lloyd Hackel说，“对材料进行激光喷丸是为了产生压缩应力，从而有效地使制造的部件更耐用和抗裂。例如，该技术对于提高飞机涡轮叶片的寿命十分有效。”

薄薄的水层将激光产生的等离子体限制在组件表面，将尽可能多的能量推入材料

Curtiss-Wright将激光喷丸作为一项服务向客户提供，并加工了波音777、787商用飞机以及空客A340、A350和商务飞机发动机中使用的大型风扇叶片。根据Hackel的说法，激光喷丸的使用部分解释了为什么这些飞机在20年内没有出现任何叶片疲劳故障。

洛克希德马丁公司还使用Curtiss-Wright 公司的服务为F-22和F-35战斗机的部件进行了激光喷丸。除了对承受巨大压力的风扇叶片底部进行喷丸处理外，Curtiss-Wright还对叶片前缘进行喷丸处理，以防止当小碎屑被吸入发动机并撞击叶片时可能发生的破裂。

激光喷丸工艺的工作原理是在部件材料表面附近产生最大的塑性变形，这也是部件可能破裂的地方。来自脉冲激光的能量最初会在局部点使材料膨胀，随后导致周围材料向内压缩，从而产生更密集的部分，致使材料更抗裂。Hackel解释说，脉冲激光能量不会直接导致材料发生塑性变形，取而代之的是，激光撞击材料表面，形成吸收更多传入能量的等离子体。激发的等离子体反过来轰击和喷丸材料表面。

激光喷丸工艺示意图。激光脉冲撞击材料以产生等离子体。薄薄的水层将等离子体能量限制在材料表面，因此产生的机械力可以选择性地产生有益的压缩应力，帮助材料抵抗开裂

然而，等离子体本身在喷丸方面是无效的。喷丸过程中持续的激光脉冲产生加热和蒸发的等离子体的电离云，从表面飞到周围的空气中。因此，不足的激光能量被转化为作用在目标上的机械力。为了最大限度地减少能量损失，喷丸技术通常涉及到在材料表面覆盖一层薄薄的水。水层只有1mm或2mm，再由近红外波长激光束穿透过水层。

“目标是限制等离子体并将尽可能多的能量推入材料中。因此，我们使用了水层，”激光喷丸系统和服务供应商LSP Technologies材料研究工程师Micheal Kattoura说。据Kattoura称，LSP Technologies使用的是Northrop Grumman子公司Cutting Edge Optronics的二极管泵浦激光器。

在商用飞机发动机的风扇叶片上使用激光喷丸，有助于防止因叶片微动疲劳引起的故障

通过使用脉冲能量、持续时间和光斑尺寸的最佳组合来实现正确的功率密度非常重要。例如，LSP Technologies的一个系统采用每分钟发射20个1053nm脉冲激光，每个脉冲持续10ns 到20ns。功率密度过高会导致材料损坏，而功率密度过低则无法达到喷丸效果。铝或镁等软质材料比高强度钢等硬质材料需要更低的功率密度。Kattoura说，每个脉冲的最大能量很少超过10J。

根据Hackel的说法，Curtiss-Wright依靠内部制造为激光喷丸系统生产相干光源。该公司的激光工具利用主振荡器功率放大器以及受激布里渊散射相位共轭，让他们可以执行实时波前校正。该技术消除了光束中的失真，并以高达每秒5个脉冲的速率实现了每脉冲高达20J的输出功率。

影响产量

与功率密度一样，当激光喷丸较软的材料（如铝）时，可以使用较低的功率输出，这可能只需要1J或2J的脉冲能量。硬钢可能需要10倍的能量。然而，能量输出优化受影响的不仅仅是被加工的材料。

操作员对劳斯莱斯喷气发动机的叶片进行激光喷丸处理，选择性地产生
压缩应力以增强叶片的抗疲劳和抗裂能力

“大能量激光喷丸和低能量激光喷丸的效果不同，”Hackel说，“每个脉冲的高能量很重要，因为它会影响喷丸可以穿透的深度。”穿透深度与光斑大小成正比。获得足以进行喷丸处理的功率密度的一种方法是将光束聚焦到足够小的光斑尺寸。但1mm或更小的光斑尺寸也意味着喷丸效果的深度更浅。因此，如果在材料中形成裂缝并开始扩散，它可能更容易扩散。

减小光斑尺寸有时会影响产量，因为需要更多的激光照射来处理给定区域。但同样，较小的光斑尺寸通常可以降低每个脉冲的能量，这反过来又可以提高重复率。这种更快“射击”的能力有助于减少所需的“射击”次数，尽管使用的光斑尺寸较小，但仍能获得相同的产量。

未来的发展方向

当前，激光喷丸的能力和范围都在不断发展。该技术的功效一直受限于激光喷丸零件的温度仍远低于母材熔点的50%。在高于这些温度阈值的情况下操作会导致退火，这是材料性能的物理变化有时是化学变化，可以减少或消除激光喷丸提供的有益压缩应力。

Curtiss-Wrigh正在开发一种潜在的新解决方案将激光喷丸与热处理相结合，在基材中产生微观结构变化以锁定保护应力。这种好处是由于沉淀物的形成，沉淀物的作用就像锚一样，可以防止高温使喷丸效应消失。受益于激光喷丸与微结构工程技术组合的应用，包括喷气发动机的叶片和陆基发电机的涡轮机。

另一个有助于扩大激光喷丸范围的领域是机器人技术。它使工程师能够设计可以在现场处理非常大的零件系统。例如，LSP Technologies开发了一个由两个机器人组成的系统。第一个机器人在固定激光器前移动一个组件，从而将激光束放置在需要喷丸的点上。光束仅在喷丸期间开启，在组件定位时关闭。第二个机器人将水流流过目标，并将其移动和水分散与第一个机器人的动作相协调。

LSP Technologies的系统旨在将激光喷丸的好处带到不易运输的部件上，例如飞机的机翼。机器人技术还使激光喷丸能够处理复杂形状的材料和组件。这些系统可以选择性地将该技术仅应用于大型结构的小部分，同时仍增加结构的整体寿命和可靠性。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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