激光在航空業(yè)中的運(yùn)用范文

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本文作者：鄒世坤單位：北京航空制造工程研究所

激光沖擊處理激光沖擊處理(lasershockprocessing)利用高峰值功率密度的脈沖激光(大于109W/cm2)輻射金屬表面吸收層產(chǎn)生高溫高壓等離子體，該等離子體受到約束層的約束時(shí)產(chǎn)生高強(qiáng)度沖擊波，使材料表層產(chǎn)生塑性應(yīng)變，殘留很大的壓應(yīng)力。其強(qiáng)化原理類(lèi)似噴丸，因此也稱(chēng)作激光噴丸(laserpeening)。激光沖擊處理獲得的殘余壓應(yīng)力層可達(dá)1mm，約為噴丸的2～5倍。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)激光沖擊處理具有很好的阻止裂紋萌生和擴(kuò)展能力以后，激光沖擊處理技術(shù)得到迅速發(fā)展[1～2]。激光沖擊處理除日本東芝公司成功用于核工業(yè)中壓力容器焊縫強(qiáng)化外，美國(guó)LLNL和MIC公司正在合作開(kāi)發(fā)在醫(yī)藥、能源、航天等工業(yè)上的應(yīng)用，但沒(méi)有批量生產(chǎn)的報(bào)道。目前，激光沖擊處理技術(shù)工業(yè)應(yīng)用和批量生產(chǎn)上最為成熟的行業(yè)仍然是航空制造業(yè)，根據(jù)美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的報(bào)告[3]，激光沖擊處理在航空結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

（1）提高抗應(yīng)力腐蝕能力,增強(qiáng)飛行疲勞斷裂結(jié)構(gòu)的安全性;

（2）新老飛行器的延壽；

（3）提高破壞的容忍性和持久性（新的燃?xì)鉁u輪、修理件、鑄件、焊接結(jié)構(gòu)）；

（4）延長(zhǎng)檢修周期，減少保養(yǎng)成本；

（5）提高任務(wù)就緒效率。激光沖擊處理的在航空制造業(yè)上的應(yīng)用主要有機(jī)身結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其他附屬裝置，如起落架、艦載機(jī)所用的飛機(jī)彈射器、尾鉤著陸攔阻裝置等。激光沖擊處理未來(lái)潛在應(yīng)用包括以下方面：

（1）用于易疲勞結(jié)構(gòu)(如F-16壁板、機(jī)翼附件、飛行控制機(jī)構(gòu)、輪子、閘、起落架等);

（2）用于鈦合金、鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，以提高耐久性；

（3）用于焊接的老化結(jié)構(gòu)，以提高耐久性；

（4）用于緊固件和緊固孔，以提高抗腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕裂紋；

（5）低成本、高可靠性的鑄件取代鍛件；

（6）用于美國(guó)空軍和英國(guó)皇家空軍的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身(神馬發(fā)動(dòng)機(jī)、一級(jí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、一級(jí)定子、三級(jí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、一級(jí)壓縮機(jī))，以提高抗異物破壞性能。

激光沖擊處理技術(shù)機(jī)身上的應(yīng)用

美國(guó)巴特爾學(xué)院早在1980年就開(kāi)展了激光沖擊處理研究，主要目的是改善航空鋁合金的疲勞性能，取得了較好的效果。由于當(dāng)時(shí)大脈沖功率的釹玻璃激光裝置造價(jià)昂貴、重復(fù)頻率低，加上設(shè)備的靈活性不能滿(mǎn)足飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配現(xiàn)場(chǎng)的要求，激光沖擊處理技術(shù)一直難以真正在飛機(jī)緊固結(jié)構(gòu)上得到應(yīng)用。LSP技術(shù)公司一直致力于這方面的研究，最近在專(zhuān)利中提出采用可移動(dòng)的激光沖擊強(qiáng)化裝置對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化的方案，如采用可移動(dòng)的激光設(shè)備通過(guò)導(dǎo)光系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)機(jī)翼蒙皮的鉚接結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化。

在該強(qiáng)化模式中，LSP技術(shù)公司直接對(duì)鉚接后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化。激光在鉚釘表面產(chǎn)生沖擊波，沖擊波在向內(nèi)部傳播的過(guò)程中對(duì)鉚釘表層進(jìn)行了強(qiáng)化。沖擊波的傳播、聚焦及透射效應(yīng)使下一層材料部分位置的沖擊波強(qiáng)度足以產(chǎn)生應(yīng)變硬化，鉚釘孔孔角周邊部位也能得到有效強(qiáng)化并獲得表面殘余壓應(yīng)力，這對(duì)于提高鉚接結(jié)構(gòu)的疲勞性能十分有利。

在緊固結(jié)構(gòu)中，初始裂紋容易在金屬薄板沉頭孔的孔角部位或沉頭配合面產(chǎn)生，主要是微動(dòng)磨損容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，緊固件的頂部由于受沉頭部位的擠壓也容易產(chǎn)生裂紋。激光沖擊處理鉚釘孔有幾種不同的方式。通常有兩種：一種是鉚接與沖擊的順序不同，即鉚接前對(duì)鉚釘孔的沖擊和鉚接后對(duì)整個(gè)鉚接部位的沖擊；另一種是單雙面的沖擊。在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的裝配現(xiàn)場(chǎng)，多數(shù)情況下雙面沖擊的效果較為理想;有些蒙皮結(jié)構(gòu)對(duì)外表面疲勞性能要求較高，而內(nèi)表面受空間所限，激光沖擊處理有一定難度，此時(shí)可進(jìn)行外表面的單面沖擊。具體工藝的選擇要根據(jù)強(qiáng)化效果與實(shí)施難度來(lái)確定。在未來(lái)的飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)中，鉚接結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸被焊接結(jié)構(gòu)或者整體結(jié)構(gòu)代替，以提高機(jī)身的疲勞性能，獲得減重效果。但焊接結(jié)構(gòu)同樣也是疲勞性能的薄弱環(huán)節(jié)，特別是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中廣泛采用的鈦合金、鋁合金等材料對(duì)焊接的工藝要求很高，即使采用激光焊接、攪拌摩擦焊等新型工藝，疲勞性能和耐腐蝕性能也有所降低，激光沖擊處理將是很好的焊后處理工藝。

激光沖擊處理在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上的應(yīng)用

GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)引入激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)提高了鈦合金葉片的耐久性并降低了葉片對(duì)外物破壞的敏感性。美國(guó)空軍在1995年研究了風(fēng)扇葉片對(duì)異物破壞(FOD)的敏感性，通過(guò)對(duì)風(fēng)扇葉片激光沖擊處理、未處理及噴丸3種方法對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，已破壞的F101葉片經(jīng)激光沖擊處理后的疲勞強(qiáng)度接近甚至超過(guò)沒(méi)有破壞也沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何處理的葉片。

GE公司作為世界上激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片最為成熟的公司，自1997年批量強(qiáng)化F101-102(B-1B)以來(lái)，先后歷經(jīng)F110-129、F110-10(F16)、F110-132(F16,Block60)，直到四代機(jī)CFM56-5BP/7(B737/A320)、F118-100(B-2)，目前累計(jì)強(qiáng)化葉片80000片，提高葉片高周疲勞壽命5～6倍，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

作為可重復(fù)的加工工藝，激光沖擊處理在各種燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)零件中有廣泛的應(yīng)用，但以前僅僅是批量用于單體葉片。2001～2002年，美國(guó)急需解決激光沖擊處理F119發(fā)動(dòng)機(jī)上的四級(jí)整體葉盤(pán)的難題，以提高F119發(fā)動(dòng)機(jī)（F/A-22）四級(jí)整體葉盤(pán)高周疲勞和疲勞裂紋擴(kuò)展閾值Kt。空軍為F119整體葉盤(pán)生產(chǎn)線(xiàn)提供了特定的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，該技術(shù)包括自動(dòng)涂層，保證工藝參數(shù)穩(wěn)定的控制和監(jiān)測(cè)以及保證激光束在葉片上正確定位的圖像處理。2003年，空軍投入巨資用于F119整體葉盤(pán)激光沖擊處理工藝。LSP技術(shù)公司成功開(kāi)發(fā)了機(jī)器人技術(shù)的激光沖擊處理單元，快速涂層系統(tǒng)，大大提高了激光沖擊處理效率，降低了運(yùn)行成本，將F119整體葉盤(pán)激光沖擊處理的時(shí)間從以前的40～44h縮短到8h以下,運(yùn)行成本降低了50%～75%。

激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)整個(gè)戰(zhàn)斗機(jī)產(chǎn)生了巨大的影響，它增加了發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)異物破壞的容忍性，縮短了補(bǔ)給保養(yǎng)時(shí)間(不需要飛行前檢查)，減少了A級(jí)事故發(fā)生率和維護(hù)成本。

國(guó)內(nèi)激光沖擊處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀和展望

“九五”期間，北京航空制造工程研究所在北京航空航天大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位協(xié)助下，進(jìn)行了TC4、GH30、1Cr18Ni9Ti、2024、1420等材料的激光沖擊處理試驗(yàn)，在鋁合金、不銹鋼等材料上取得了很好的試驗(yàn)效果。但由于當(dāng)時(shí)激光器的峰值功率水平較低，產(chǎn)生的沖擊波壓力未能有效強(qiáng)化鈦合金材料，材料的疲勞性能提高幅度很小。“十五”期間，在提高激光器件水平的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了激光沖擊強(qiáng)化鈦合金的工藝，強(qiáng)化后鈦合金的疲勞性能明顯提高。近期，北京航空制造工程研究所與沈陽(yáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所合作開(kāi)展了激光沖擊強(qiáng)化TC4轉(zhuǎn)子葉片的試驗(yàn)，采用了雙光束雙面沖擊強(qiáng)化技術(shù)，單次沖擊處理后獲得明顯的沖擊坑，坑凹陷約為10µm，沖擊區(qū)的殘余壓應(yīng)力為-300～-400MPa以上，表面無(wú)變形和層裂等缺陷。江蘇大學(xué)等單位也進(jìn)行了板材激光沖擊成形方面的研究，可望在模具工業(yè)上得到應(yīng)用。

激光沖擊處理在航空工業(yè)中具有很好的應(yīng)用前景，我國(guó)近年有望在強(qiáng)化鈦合金葉片和鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)等方面取得突破，但需要高頻率、強(qiáng)脈沖激光設(shè)備和沖擊處理工藝的支持。

要使激光沖擊處理技術(shù)得到工業(yè)上的批量應(yīng)用，還必須重視沖擊波及殘余應(yīng)力等基礎(chǔ)理論方面的研究,形成質(zhì)量控制、自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)手段；激光技術(shù)和沖擊處理工藝的發(fā)展、自動(dòng)流程的形成及其運(yùn)行成本的降低，將為激光沖擊處理技術(shù)的市場(chǎng)推廣打下良好的基礎(chǔ)。