飛機和航空發動機結構大量採用金屬材料,金屬材料的主要失效形式疲勞和腐蝕均始於材料表面,所以金屬材料表面的結構和性能直接影響著材料的綜合性能。為此,人們採用噴丸、滾壓、內擠壓等多種表面強化工藝來改善金屬表面性能。
利用強雷射誘導衝擊波來強化金屬表面的新技術稱為雷射衝擊強化技術(簡稱LSP),由於其表面強化效果好,自產生之日起就得到了廣泛的關注和研究。
1998年該技術被美國研發雜誌評為全美100項最重要的先進技術之一。美國上世紀90年代後期開始的航空發動機高頻疲勞研究計劃中,將雷射衝擊強化技術列為工藝技術措施首位。2005年,研製雷射衝擊強化系統的MIC公司獲美國國防製造最高成就獎。美國將該技術列為第四代戰鬥機發動機關鍵技術之一,足見該項技術的重大價值。
當短脈衝(幾十納秒內)的高峰值功率密度( )的雷射輻射金屬表面時,金屬表面吸收層(塗覆層)吸收雷射能量發生爆炸性汽化蒸發,產生高壓(GPa)等離子體,該等離子體受到約束層的約束爆炸時產生高壓衝擊波,作用於金屬表面並向內部傳播。在材料表層形成密集、穩定的位錯結構的同時,使材料表層產生應變硬化,殘留很大的壓應力,顯著的提高材料的抗疲勞和抗應力腐蝕等性能,這就是雷射衝擊強化。
雷射衝擊強化技術和其它表面強化技術相比較,具有如下鮮明特點:
一、高壓,衝擊波的壓力達到數GPa,乃至TPa量級,這是常規的機械加工難以達到的,例如,機械衝壓的壓力常在幾十MPa至幾百MPa之間;
二、高能,雷射束單脈衝能量達到幾十焦耳,峰值功率達到GW量級,在10~20ns內將光能轉變成衝擊波機械能,實現了能量的高效利用。並且由於雷射器的重複頻率只需幾Hz以下,整個雷射衝擊系統的負荷僅僅30KW左右,是低能耗的加工方式;
三、超高應變率,衝擊波作用時間僅僅幾十納秒,由於衝擊波作用時間短,應變率達到 ,這比機械衝壓高出10000倍,比爆炸成形高出100倍。
世界第二條雷射衝擊強化生產線,在中國西安建成。這標誌著中國雷射衝擊強化技術向工程化應用邁出了重要一步,使中國成為繼美國之後世界上第二個可實現該項技術工業化應用的國家。