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       激光沖擊強化技術的發展

20世紀70年代初，美國巴特爾學院（Battelle Memorial Institute）的B.P. Fairand 等人首次采用高功率脈沖激光誘導的沖擊波來改變7075 鋁合金的顯微結構組織，以提高其機械性能，從此揭開了用激光沖擊強化應用研究的序幕。

20世紀90年代，激光沖擊強化技術得到了大力開發與快速發展，被美國軍方和工業界陸續應用一些典型的戰斗機/ 轟炸機發動機和商用客機發動機風扇/ 壓氣機葉片與整體葉盤上。與此同時，世界激光沖擊強化技術的研究與應用人員從2008年起每2年組織1屆國際激光沖擊強化技術研討會，對激光沖擊強化的基礎理論、工藝的數值模擬、工藝的試驗驗證、由LSP條件造成的機械特性等方面進行深入探討。這些標志著激光沖擊強化技術越來越得到世界的關注。

1 在風扇/壓氣機葉片上的應用與發展

20世紀90年代初，配裝B-1B轟炸機的F101發動機因風扇葉片斷裂引發了多次重大飛行事故。其原因，是第1級鈦合金風扇葉片前緣被吞入發動機的硬外來物打傷，造成疲勞強度由要求的75ksi（518MPa）左右下降到20ksi（138MPa）以下，進而引發疲勞斷裂。為了避免該類故障的發生，美國空軍地勤人員在F101發動機每飛行25h和每天第1次飛行前對所有風扇葉片進行1次能夠發現0.127mm裂紋的精細檢查。1994年，為了完成上述檢查和保證B-1B轟炸機安全飛行，美國空軍花費了100多萬維護人時和1000多萬美元。

1994年12月，美國正式實施“高循環疲勞科技計劃”，以幫助消除飛機渦輪發動機的高循環疲勞故障。作為該計劃的關鍵技術，激光沖擊強化等部件表面處理技術得到了大力開發和驗證。同時，在美國國防部的制造技術（ManTech）研究計劃下，GE公司和激光沖擊強化技術（LSPT）公司合作也開發激光沖擊強化技術，以提高鈦合金風扇葉片的耐久性和降低其對外來物損傷的敏感性。

LSPT公司首先進行了噴丸強化與激光沖擊強化對F101-GE-102發動機風扇葉片疲勞特性影響的比較研究[5-7]。疲勞試驗結果（見圖2）表明：基準的無損傷的葉片在80ksi（552MPa）下在106個循環失效；帶有凹口的未處理的葉片在20~30ksi（138~207MPa）下失效；雙強度噴丸強化的葉片的平均失效應力估算值為35ksi(242MPa) ；高強度噴丸強化的葉片的平均失效應力估算值為45ksi（311MPa）；而激光沖擊強化的帶凹口的葉片的平均失效應力為100ksi(690MPa)，高于沒有損傷的葉片的失效應力；甚至激光沖擊強化的帶放電加工的凹口的葉片的平均失效應力為75~80ksi（518~552MPa）。激光沖擊強化部件疲勞強度改進數據也表明，與基準的未損傷、未處理的風扇葉片相比，有6.35mm 切口損傷的F101 發動機風扇葉片經激光沖擊強化后的疲勞強度等于或高于未受損傷、未處理的葉片的疲勞強度。也就是說，激光沖擊強化能夠恢復受損傷的風扇葉片的結構完整性，保證風扇葉片連續且安全地工作，甚至有最大到6.35mm 的外來物損傷缺陷的F101發動機風扇葉片也可以繼續使用。

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1995年，LSPT公司得到美國空軍的批準，開始研制生產型激光沖擊強化系統。在解決了激光的光學布局、系統診斷的選擇、激光箱體與電子箱體的機械設計等問題后，LSPT公司成功地開發了由激光室與處理室組成的原型生產型激光系統。1997年，GE公司引進了LSPT公司設計與制造的4套激光沖擊強化系統，并開始對F101發動機第1級風扇葉片進行沖擊強化。經過激光沖擊強化的F101-GE-102 發動機風扇葉片的深處產生壓縮應力（是常規噴丸沖擊強化的4倍），阻止了裂紋的起始和擴展，實現了由目視檢查取代精細檢查，大大節省了使用與維護費用。據報道，采用這一技術，空軍每年可以節省1000萬美元的替換、修理與維護費用，并且由于避免大約42次左右的致命性發動機故障而節省4000 萬美元的發動機費用。

盡管取得了巨大成功，但是處理速度慢和處理費用高兩大不足嚴重地限制了激光沖擊強化技術的推廣與應用。其原因包括以下2點：

（1）涂敷和去除不透明涂層在進行激光沖擊強化的激光強化間外面進行，多次沖擊就需要反復搬運，造成勞動強度大和工作時間長。

（2）圓形激光束光點的重迭面積大（如果要實現100% 覆蓋待處理表面，圓形激光束光點的重迭面積要高達30%），增加了處理時間。

為此，在ManTech研究計劃的激光沖擊強化分研究計劃下，LSPT公司開發了耐用的預生產型的激光沖擊系統。LSPT公司開發并驗證了由噴涂專用不透明涂覆層、覆蓋水膜、發射激光脈沖和去除與清潔下一次要處理的表面4個步驟構成的RapidCoaterTM系統，使費用減少30%~40%，處理效率提高4~6倍，并將其集成到激光強化系統中；開發了監控快速涂敷系統在零件表面涂敷涂層質量的控制器與監控器，以確保可靠且一致的性能；研制了減少激光束光點重疊的由圓形光點轉變為矩形光點的專門光學裝置；研制了與涂敷工藝同步、與激光控制系統聯接、指示控制光束形狀的光學裝置發出矩形光點的控制系統；建造了包括新的激光控制器、激光監控器、半自動強化間、激光系統的2個經濟可承受的激光沖擊強化間。這大大提高了工藝可靠性，降低了工藝成本，改善了激光束能量、時間分布和空間分布。

隨著技術的不斷進展，激光沖擊強化又被推廣應用到配裝F-16A/B戰斗機的F110-GE-100 發動機、配裝F-16C/D 的F110-GE-129 發動機、正在研制的JSF120 發動機、配裝F-15戰斗機的F100-PW-220 發動機、配裝波音777 客機的Trent800 發動機、配裝波音787的TRENT1000發動機的風扇/壓氣機葉片上。這一技術使FOD容限提高15倍，檢驗的工時與費用大大減少，飛行安全明顯改善。據報道，應用于F110-GE-100和F110-GE-129 發動機，為空軍每年節省了上百萬美元的維護費用，并且估計避免了較多的致命性的發動機故障。到2002年，已經節省了5900萬美元。預計，在美國空軍機隊的壽命期內可節省10億美元。美國金屬表面工程公司（MIC）公司將激光沖擊強化技術用于軍民用噴氣發動機葉片以延長其疲勞壽命，不但提高了飛機發動機的安全可靠性，而且每月可節約幾百萬美元的飛機保養費用、節約幾百萬美元的零件更換費用。