浅谈激光冲击强化技术在航空发动机上的发展和应用

党文苗　李均红

摘要：激光冲击强化技术是一种新兴的表面强化技术，由于它相对于喷丸强化工艺，可以使航空发动机零件特别叶片形成深度更深的残余压应力层，达1～2mm，是喷丸的5～10倍，并且能使材料表层晶粒细化甚至出现纳米晶粒，可提高材料疲劳强度1倍以上。因此，可以大幅度的提高航空发动机叶片的抗疲劳使用寿命。本文对国内外激光冲击强化技术在航空发动机上的发展和应用现状进行了分析，为使用单位强化工艺选择和能力建设起到重要参考意义。

关键词：激光冲击强化;叶片;疲劳强度;残余压应力

1 引言

航空发动机叶片在转子高速旋转带动及强气流的冲刷下，承受着拉伸、弯曲和振动等多种载荷，特别是位于进气端的压气机叶片或前风扇叶片，被随气流进来的异物撞击后很容易损坏，使发动机失效以至酿成事故。叶片采用强化处理后可以延迟裂纹的萌生，提高叶片的使用寿命。

2 激光冲击强化技术简介

激光冲击强化技术，简称LSP，原理是采用短脉冲（几十纳秒）的高峰值功率密度（>109W/cm2）的激光辐照金属表面，使金属表面涂覆的吸收保护层吸收激光能量并发生爆炸性气体蒸发，产生高压（>1GPa）的等离子体冲击波，利用冲击波的力效应使表面材料微观组织发生变化，在较深的厚度上残留压应力，从而显著提高金属材料抗疲劳、耐磨损和防应力腐蚀等性能。

由于激光冲击强化原理类似喷丸，因此也称作激光喷丸。与传统的喷丸技术相比，激光冲击强化具有以下技术优势：

（1）强化效果更好。激光冲击强化能产生比传统喷丸更深的残余压应力层（1～2mm），是钢喷丸的5～10倍，并且能使零件表层材料晶粒细化甚至出现纳米晶粒，最终使材料疲劳强度提高1倍以上，进而大幅度提高零件的使用寿命。

（2）可控性强。可通过精确控制光斑大小和位置，对小孔、倒角、焊缝和沟槽等传统喷丸不易处理的部位进行强化。

3 激光冲击强化技术发展及应用状况

激光冲击强化的研究早在20世纪70年代就开始了，直到上世纪90年代后期，激光冲击强化才开始在航空发动机上应用。2011年1～3月，美国有多项激光冲击强化方面的专利公开，如美国GE公司已为美国空军生产和修理了数万件经过激光冲击强化处理的部件。MIC公司作为该技术的主要研制单位，2005年获美国国防制造最高成就奖，该技术也被认为是四代战机发动机80项关键技术之一。

3.1 国外应用现状

美国1994年开始实施“高周疲劳科学与技术”研究，经过多年的研究，激光冲击强化已经在美国飞机、发动机结构疲劳薄弱部位得到了应用，显著提高了构件的高循环疲劳性能。自1997年已经实现了该技术在航空发动机上的应用，并将其列为第四代战机发动机关键技术。

3.2 国内应用现状

我国从上世纪九十年代开始对激光冲击强化技术进行研究。由于国外对大功率激光器研制技术的封锁，使我国的研究工作变得很困难。进入本世纪后，我国已研制出小功率激光冲击实验设备，并开发了激光冲击的工业控制系统，为该技术在我国的工业应用奠定了坚实基础。

从2000年开始，国内多所高校和企业也已经将激光冲击强化技术作为热点开展了研究，如江苏大学、空军工程大学、南京航空航天大学、西安天瑞达公司、沈阳自动化研究所、中航625所等，但由于国内研究起步较晚以及国外的技术封锁，只是在一些机型上做了一些实验室研究，真正的工业化应用很少。另外，一些航空发动机单位也采购了激光冲击集成设备，并使用到某型发动机零部件上，但因设备稳定性差及冲击时间较长，无法开展大批量加工。

4激光冲击强化技术目前存在的问题

4.1设备投入高、效率低、稳定性及可靠性较差。

激光冲击强化成套设备中激光器为最关键的部分，但国内设备中激光器存在重复效率低、功率小、脉冲能量低、光斑质量较差等问题，导致设备效率低、稳定性及可靠性较差。美国设备比较成熟，但价格昂贵且属于禁止向中国出口的敏感装备。

4.2 工艺过程控制复杂，对操作者技能要求高。

国内激光冲击强化设备不具有自动涂覆和去除吸收保护层功能，在强化过程中，涂覆和去除吸收保护层主要依靠手工进行，对操作者技能要求很高。

4.3激光冲击强化评价体系仍不成熟。以美国GE燃气轮机叶片為例，国外在进行零件激光冲击强化后，需要进行金相检查、残余应力测试、高周疲劳测试、尺寸变形、粗糙度等10余项测试。国内目前尚无完整的标准评价体系。

5总结

（1）激光冲击强化相比传统喷丸能在零件材料表面形成更深的压应力层，强化效果更好，有很好的应用前景。国外已经在航空发动机和燃气轮机领域上大力推广使用。国内也已经将该技术作为热点进行研究。

（2）激光冲击强化设备投入大，维护费用高，国内设备的可靠性能还需提高。同时，工艺过程控制复杂，整个激光喷丸工艺评价体系尚不成熟。

参考文献

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