激光在航空業中的運用范文
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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生高溫高壓等離子體，該等離子體受到約束層的約束時產生高強度沖擊波，使材料表層產生塑性應變，殘留很大的壓應力。其強化原理類似噴丸，因此也稱作激光噴丸(laserpeening)。激光沖擊處理獲得的殘余壓應力層可達1mm，約為噴丸的2～5倍。當人們發現激光沖擊處理具有很好的阻止裂紋萌生和擴展能力以后，激光沖擊處理技術得到迅速發展[1～2]。激光沖擊處理除日本東芝公司成功用于核工業中壓力容器焊縫強化外，美國LLNL和MIC公司正在合作開發在醫藥、能源、航天等工業上的應用，但沒有批量生產的報道。目前，激光沖擊處理技術工業應用和批量生產上最為成熟的行業仍然是航空制造業，根據美國空軍研究實驗室的報告[3]，激光沖擊處理在航空結構上的優勢主要表現在以下幾個方面:
（1）提高抗應力腐蝕能力,增強飛行疲勞斷裂結構的安全性;
（2）新老飛行器的延壽；
（3）提高破壞的容忍性和持久性（新的燃氣渦輪、修理件、鑄件、焊接結構）；
（4）延長檢修周期，減少保養成本；
（5）提高任務就緒效率。激光沖擊處理的在航空制造業上的應用主要有機身結構、發動機結構及其他附屬裝置，如起落架、艦載機所用的飛機彈射器、尾鉤著陸攔阻裝置等。激光沖擊處理未來潛在應用包括以下方面：
（1）用于易疲勞結構(如F-16壁板、機翼附件、飛行控制機構、輪子、閘、起落架等);
（2）用于鈦合金、鋁合金焊接結構，以提高耐久性；
（3）用于焊接的老化結構，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）用于美國空軍和英國皇家空軍的飛機發動機和機身(神馬發動機、一級風扇轉子、一級定子、三級風扇轉子、一級壓縮機)，以提高抗異物破壞性能。
激光沖擊處理技術機身上的應用
美國巴特爾學院早在1980年就開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。由于當時大脈沖功率的釹玻璃激光裝置造價昂貴、重復頻率低，加上設備的靈活性不能滿足飛機結構裝配現場的要求，激光沖擊處理技術一直難以真正在飛機緊固結構上得到應用。LSP技術公司一直致力于這方面的研究，最近在專利中提出采用可移動的激光沖擊強化裝置對飛機結構進行強化的方案，如采用可移動的激光設備通過導光系統對飛機機翼蒙皮的鉚接結構進行強化。
在該強化模式中，LSP技術公司直接對鉚接后的結構進行強化。激光在鉚釘表面產生沖擊波，沖擊波在向內部傳播的過程中對鉚釘表層進行了強化。沖擊波的傳播、聚焦及透射效應使下一層材料部分位置的沖擊波強度足以產生應變硬化，鉚釘孔孔角周邊部位也能得到有效強化并獲得表面殘余壓應力，這對于提高鉚接結構的疲勞性能十分有利。
在緊固結構中，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生，主要是微動磨損容易導致裂紋的產生，緊固件的頂部由于受沉頭部位的擠壓也容易產生裂紋。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，即鉚接前對鉚釘孔的沖擊和鉚接后對整個鉚接部位的沖擊；另一種是單雙面的沖擊。在飛機機身結構的裝配現場，多數情況下雙面沖擊的效果較為理想;有些蒙皮結構對外表面疲勞性能要求較高，而內表面受空間所限，激光沖擊處理有一定難度，此時可進行外表面的單面沖擊。具體工藝的選擇要根據強化效果與實施難度來確定。在未來的飛機機身結構中，鉚接結構會逐漸被焊接結構或者整體結構代替，以提高機身的疲勞性能，獲得減重效果。但焊接結構同樣也是疲勞性能的薄弱環節，特別是飛機結構中廣泛采用的鈦合金、鋁合金等材料對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。
激光沖擊處理在發動機葉片上的應用
GE航空發動機通過引入激光沖擊強化技術提高了鈦合金葉片的耐久性并降低了葉片對外物破壞的敏感性。美國空軍在1995年研究了風扇葉片對異物破壞(FOD)的敏感性，通過對風扇葉片激光沖擊處理、未處理及噴丸3種方法對比，結果發現，已破壞的F101葉片經激光沖擊處理后的疲勞強度接近甚至超過沒有破壞也沒有經過任何處理的葉片。
GE公司作為世界上激光沖擊處理發動機葉片最為成熟的公司，自1997年批量強化F101-102(B-1B)以來，先后歷經F110-129、F110-10(F16)、F110-132(F16,Block60)，直到四代機CFM56-5BP/7(B737/A320)、F118-100(B-2)，目前累計強化葉片80000片，提高葉片高周疲勞壽命5～6倍，創造了巨大的經濟效益。
作為可重復的加工工藝，激光沖擊處理在各種燃氣發動機零件中有廣泛的應用，但以前僅僅是批量用于單體葉片。2001～2002年，美國急需解決激光沖擊處理F119發動機上的四級整體葉盤的難題，以提高F119發動機（F/A-22）四級整體葉盤高周疲勞和疲勞裂紋擴展閾值Kt。空軍為F119整體葉盤生產線提供了特定的激光沖擊強化技術，該技術包括自動涂層，保證工藝參數穩定的控制和監測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整體葉盤激光沖擊處理工藝。LSP技術公司成功開發了機器人技術的激光沖擊處理單元，快速涂層系統，大大提高了激光沖擊處理效率，降低了運行成本，將F119整體葉盤激光沖擊處理的時間從以前的40～44h縮短到8h以下,運行成本降低了50%～75%。
激光沖擊處理發動機對整個戰斗機產生了巨大的影響，它增加了發動機對異物破壞的容忍性，縮短了補給保養時間(不需要飛行前檢查)，減少了A級事故發生率和維護成本。
國內激光沖擊處理技術的研究現狀和展望
“九五”期間，北京航空制造工程研究所在北京航空航天大學、中國科學技術大學等單位協助下，進行了TC4、GH30、1Cr18Ni9Ti、2024、1420等材料的激光沖擊處理試驗，在鋁合金、不銹鋼等材料上取得了很好的試驗效果。但由于當時激光器的峰值功率水平較低，產生的沖擊波壓力未能有效強化鈦合金材料，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上，改進了激光沖擊強化鈦合金的工藝，強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航空發動機研究所合作開展了激光沖擊強化TC4轉子葉片的試驗，采用了雙光束雙面沖擊強化技術，單次沖擊處理后獲得明顯的沖擊坑，坑凹陷約為10µm，沖擊區的殘余壓應力為-300～-400MPa以上，表面無變形和層裂等缺陷。江蘇大學等單位也進行了板材激光沖擊成形方面的研究，可望在模具工業上得到應用。
激光沖擊處理在航空工業中具有很好的應用前景，我國近年有望在強化鈦合金葉片和鋁合金鉚接結構等方面取得突破，但需要高頻率、強脈沖激光設備和沖擊處理工藝的支持。
要使激光沖擊處理技術得到工業上的批量應用，還必須重視沖擊波及殘余應力等基礎理論方面的研究,形成質量控制、自動檢測等技術手段；激光技術和沖擊處理工藝的發展、自動流程的形成及其運行成本的降低，將為激光沖擊處理技術的市場推廣打下良好的基礎。