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温辅助激光冲击强化技术原理与应用研究

赵吉宾;陆莹;乔红超;孙博宇

【期刊名称】《《航空制造技术》》

【年(卷),期】2019(062)021

【总页数】7页(P34-39,51)

【关键词】温辅助激光冲击强化;残余应力释放;组织失稳;抗蠕变性能;强化相

【作者】赵吉宾;陆莹;乔红超;孙博宇

【作者单位】中国科学院沈阳自动化研究所沈阳110016;中国科学院机器人与智

能制造创新研究院沈阳110169

【正文语种】中文

激光冲击强化（LaserShockPeening，LSP）是一种新近发展的表面强化技术，

其通过激光诱导产生等离子体冲击波轰击金属表面，在极短时间内，使其表面产生

超高应变率的塑性变形，改善材料微观结构，表面生成加工硬化层和残余压应力层，

可有效抑制高周疲劳裂纹萌生和扩展，从而达到改善抗疲劳性能的目的[1-7]。与

传统的表面强化手段相比，激光冲击强化具有可控性强、非接触、适用性好等优越

性能，不仅可以在表面形成厚度超过1mm的残余应力层，提高疲劳寿命，还可

在其表面引入致密的晶粒细化（甚至纳米晶）形变层，从而有效地提高零件的硬度、

强度、耐磨性和耐腐蚀性[5-6]，且相比于喷丸强化，激光冲击强化对零件表面粗

糙度的影响较小，可确保工件的几何精度和性能要求。鉴于上述诸多优点，激光冲

击强化近20年来得到了快速发展，并已经进入了工业应用阶段[7-8]。20世纪70

年代，美国首先开展了激光冲击强化试验研究，发现其可以有效提高材料硬度、强

度和疲劳性能，具有良好的技术发展前景。1994年，针对航空发动机高周疲劳断

裂问题，美国开始实施“高周疲劳科学和技术计划”，美国阿拉巴马大学、利弗莫

尔实验室、美国激光冲击强化技术公司（LSPT）开发一体化激光冲击强化设备，

实现了针对航空发动机叶片/叶盘、机翼等飞机结构件的激光冲击强化，并在GE、

空客、波音、罗罗、普惠等公司实现了工业应用。由于遭遇国外相关技术的封锁，

国内相关研究起步较晚，但经过江苏大学、中国航空制造技术研究院、西安空军工

程大学、中国科学院沈阳自动化研究所等国内相关院所的不懈努力，基础研究领域

取得了很大的进展[8-10]。其中，中国航空制造技术研究院2010年开始整体叶盘

强化设备研发，并先后开发了12J和30J激光冲击强化设备；中国科学院沈阳自

动化研究所开发了可用于航空发动机整体叶盘工业生产的自动化激光冲击强化装备，

已投入生产。

随着航空工业的发展，对航空发动机核心零部件的寿命和耐久性等各项指标的要求

也越来越高，特别是对于航空发动机热端部件。比如航空发动机涡轮叶片等关键零

部件的结构和形状复杂，工作环境也更为恶劣。因此，围绕高温部件组织性能维稳

等的深层次问题便日渐凸显出来，迫切需要找到一种有效抑制高温下应力/组织失

效的激光冲击强化方法，经过大量的研究发现，温辅助下的激光冲击强化可显著提

高高温环境下组织应力的稳定性。

激光冲击强化应力失效原因分析

激光冲击强化技术是利用激光诱导的等离子体爆轰波对靶材冲击的表面改性处理工

艺，等离子体冲击波作用下，在靶材表面发生高应变率的塑性变形以形成残余压应

力场，其本质是金属表面晶格畸变程度增加、位错组态复杂化的结果[11-14]。塑

性变形可以改变金属的组织结构，这种塑性变形主要以位错运动和位错孪晶两种方

式形成[15-17]。激光诱导冲击波可以使材料发生超高应变率的塑性变形，强烈的

塑性变形会引发材料微观组织、结构、晶界等剧烈变化，导致晶粒细化甚至纳米化，

由于塑性变形后靶材的结构缺陷密度增加，晶格畸变能升高，其微观组织结构处于

热力学亚稳定、高自由能状态，晶体本身具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋

势的特征，但是在高温状态下长时间工作，高温回火导致晶粒不断粗化，位错密度

降低[18-22]。因此，激光冲击强化处理后形成的残余压应力和微观组织结构在热

力循环作用下非常容易发生应力松弛和组织退化。

残余压应力与晶体缺陷密度的减小将导致激光冲击强化效能下降乃至完全失效[22-

26]，这将严重限制激光冲击强化技术在高温端部件的推广应用，也成为了很多航

空关键零部件加工制造工艺的瓶颈。因此，提高激光冲击强化高温稳定性是亟需解

决的重要技术难题。为了解决上述难题，很多学者提出不同的辅助手段来稳固激光

冲击强化效果，使其适用于高温高压端零部件，其中温辅助激光冲击强化成为一种

公认的激光冲击强化高温组织应力维稳效果明显的新方法。

温辅激光冲击强化技术研究现状

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