科技论文写作大作业
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北京航空航天大学 Beijing University of Aeronautics and Astronautics 论 文
激光冲击强化处理质量检测 李晨① ① 北京航空航天大学机械工程及自动化学院, ZY1307229; * E-mail: stevenlee1991@126.com
摘要 激光冲击强化处理技术是目前提高航空发动机叶片的疲劳寿命的一种新技术。但是，到目前为止，从公开的资料来看，只有美国将这项技术运用于实际。其中影响技术推广的主要原因之一就是没有可靠的准确的实时检测技术。当前国内的检测的方法并不多，主要是靠直观判别。以经验来进行检测，效率很低而且没有精度保证。国内对于航空发动机叶片固有频率的测量主要是通过共振法。由于受到各种影响，实际精度较低。另外还需要逐步改变激振力来寻找共振频率，难以实现在线检测。研究表明，残余压应力也是LSP的一个重要指标。零件内部有残余应力时，零件的固有频率和阻尼会发生变化，即可以采用对其固有频率的测量来实现。由于当前的检测中出现的各种问题，一种实时的检测系统的开发，对于激光冲击强化处理工艺在工业中的应用具有重要意义。
关键词 冲击强化 残余应力 发动机叶片 实时检测
半个世纪以前，很多实验表明大量弹丸在压缩空气的推动时，会形成高速弹丸不断喷向零件，因而改变材料的各种机械和物理性能，即喷丸强化。之后随着技术的更新和发展，开始采用激光发生器，发射激光从而诱导并缠身的高幅冲击波来改善金属材料的表面特性，即激光冲击强化处理技术（LSP）。激光冲击强化技术（LSP）是利用强激光束产生的等离子冲击波，作用在工件上，可以提高金属材料的抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀等性能的高新技术。它生产出来的工件具有非接触、可控性强等特点。另外加工的过程中需要涂层，涂层主要是用来保护工件不被激光灼伤，而且可以增强工件对激光能量的吸收，目前常用的材料主要有黑漆和铝箔等。约束层的作用除了能约束等离子体的膨胀，还能提高冲击波的峰值压力，又能通过对冲击波的反射延长作用时间，目前常用的约束层为流水，K9玻璃等材料。[1, 8, 9] 激光冲击处理技术LSP (laser shock processing)是通过高功率(>10,GW/cm^2)短脉冲(0.1～50.0ns)激光聚焦后与材料表面粘贴的吸收层相互作用，吸收层在极短时间内蒸发、电离，产生高温(>10,000,K)高压(>1,GPa)等离子体，等离子体继续吸收激光能量，并迅速膨胀，产生高压冲击波。冲击波向金属内部传播，其峰值压力大于材料的动态屈服强度时，金属材料表层发生塑性变形，在材料表面产生残余压应力层，甚至改变金属的内部组织。对叶片进行激光冲击强化处理可以提高叶片的疲劳强度，从而延长使用寿命。 LSP可以像喷丸技术一样，改善金属材料的强度、硬度、延缓疲劳裂纹产生、增大裂纹扩大以及提高工件的疲劳强度等机械性能。但是有可控性强，残余应力层深，重叠处理等多种优势。[2, 10] 对LSP 质量最直接的检测手段是进行高频疲劳试验HCF (high cycle fatigue)，从而得到叶片经LSP 处理后的疲劳寿命，并以此作为质量判断的依据．但是该试验是破坏性的，在实际生产中不可能推广应用。另一方面，HCF 也无法实现在线质量检测。因此，对激光冲击强化处理零件的质量进行无损检测技术研究是十分必要的。 残余压应力是LSP的一个重要指标。零件内部李晨: 机械振动频率的在线检测技术开发 有残余应力时，零件的固有频率和阻尼会发生变化，即可以采用对其固有频率的测量来实现。为实现对固有频率的在线实时检测，因此必须研制一种快速性极好的无损检测装置，以支持LSP这一工艺在航空制造领域的推广和应用。 1 激光强化处理技术 1.1激光强化处理的原理及特点 (1) 激光冲击处理技术的国外发展 激光冲击强化技术最初是在美国贝尔实验室提出的。 之后在1972年，美国巴特尔学院（Battelle Memorial Institute）等人第一次采用高功率的脉冲激光，诱导产生的冲击波来改变7075铝合金的显微结构组织，以提高其机械性能，从此揭开了用激光冲击强化应用研究的序幕。巴特尔学院的实验室曾与美国空军实验室联合，开始研究激光冲击强化对于零件疲劳寿命影响的研究，结果最后表明了LSP加工工艺能够加强零件的疲劳寿命。但是当时由于缺少可靠的、高脉冲频率的大功率激光器而未能用于实际。 在上世纪80年代，欧洲、日本、以色列等国家和地区也纷纷开展了激光冲击强化技术（LSP）的研究。但从目前公开报道的资料看，国际上还只有美国将激光冲击强化实际应用并推广。随着技术和设备的发展，激光冲击处理技术（LSP）逐步用于F110、F101等发动机的生产修理过程。其中，F110、F101发动机在使用中发生的多次风扇叶片故障，迫使F101每飞25小时和F110每天第一次飞行前要做一次能够发现0.127mm裂纹的精细检查，采用激光冲击强化技术顺利的解决了这一问题。 21世纪后，激光冲击强化技术的应用已经开始在各个方面进行发展。其中美国空军为了提高激光冲击强化的生产效率就做了很多研究，已经设置了4个重要的制造技术计划(Air Force Manufacturing Technology Programs)，并且取得了重大的进展，提高了激光冲击强化生产效率等问题。2002年以来，美国已将激光冲击强化大规模用于航空部件的制造和修理中。[3, 11~14] (2) 激光冲击处理技术的国内发展 国内的激光冲击强化处理技术（LSP）起步较晚，但是发展较为迅速。但由于设备昂贵，技术复杂，规模庞大等因素在早期限制了激光冲击强化处理技术（LSP）的发展。 国内基本是从20世纪90年代开始激光冲击强化技术的研究，其中主要进行了理论探讨和针对钢材、铝合金材料等的试验研究。目前开展过激光冲击强化研究的主要有中国科学技术大学、江苏大学、南京航空航天大学、北京航空制造工程研究所、航空材料研究院、北京航空航天大学、空军工程大学等单位。 南京航空航天大学对LSP的探索研究比较早，并初步验证了激光冲击强化是能够实现加强工件特性的作用的，这个研究在国内具有一定开创性。华中理工大学也曾对LY12铝合金冲击前后的试件做了疲劳实验，并进行了初步的微观机理研究，表明激光冲击强化使位错密度提高21倍、表面产生49.43MPa的残余压应力。北京航空制造工程研究所对铝合金LY112铆接试件的铆钉孔进行激光冲击强化实验，表明激光冲击强化能稳定提高铆接结构疲劳寿命约80%，该所从俄罗斯引进了可进行单次冲击试验用的激光器设备，但由于俄罗斯并未专门研制激光冲击强化用激光器，该激光器不能满足工业应用要求。 90年代中期开始，中国科学技术大学和江苏大学对激光冲击强化的研究工作比较多。中国科技大学强激光技术研究所研制出了国内首台实验用的激光冲击处理机，但是该设备只能单次冲击，且可靠性不高，仅能用于实验，不能满足航空部件的生产和修理需要。江苏大学从激光冲击强化机理、涂层约束层应用和强化工艺试验等方面进行了一系列研究，并与中国科技大学合作研制了有重复频率的钕玻璃激光器，取得了一定的进展，但该激光器仍不稳定，不能长期工作，因此仍不能满足工业应用要求。[4, 15, 16] 综上所述，国内的激光冲击处理技术研究十分广泛，但是总体来说，国内对于激光冲击处理技术还处于探索阶段，不能进行实际的大范围的应用。
1.2激光冲击处理技术在航空发动机叶片的应用
航空发动机叶片在高速转动时，承受着各种载荷，而且工作条件极其恶劣，因此，就需要对叶片进行特殊的处理，来提高它的疲劳强度以及各方面的机械性能。LSP技术能在产生的冲击波时，能够产生残余应力层，从而提高工件的疲劳性能和表面质量。 实验表明，LSP产生的压缩应力深度是普通喷丸北京航空航天大学: 机械学院 的4倍，因此在处理发动机叶片时，可以提高疲劳强度并且阻止裂纹的起始和扩展。发动机实验还表明，受损伤的LSP处理过的叶片，其性能可以达到甚至超过新的未经处理的叶片。 由于LSP技术的优势和美国空军的资金支持，LSP技术在处理航空发动机叶片方面应用广泛。美国GE公司、加州大学LLNL国家实验室以及MIC公司等，在激光冲击强化航空发动机叶片方面已有十几年的经验。冲击处理叶片过程中，强化频率可达10Hz，12分钟就可强化一片叶片。目前GE公司累计强化叶片8万片以上，平均提高叶片高周疲劳寿命5-6倍。 国内从上世纪90年代初才开始激光冲击强化处理技术的研究，目前对航空发动机叶片的LSP应用还处于试验探索阶段。目前，江苏大学与空军工程大学合作进行试验，为激光冲击强化技术在航空发动机风扇叶片制造和维修上的应用提供了理论依据。北京航空制造工程研究所与沈阳航空发动机研究所合作，进行TC4转子叶片试验，验证了激光冲击处理技术的基本作用。[5, 17~19]
1.3叶片激光冲击处理质量检测的重要意义 凭借LSP的技术优势，激光冲击处理技术在航空领域，尤其是发动机叶片的应用将会更为广泛。要使激光冲击处理技术得到工业上的批量应用，必须要有一个可靠准确的质量控制技术。因此随着激光冲击处理技术的推广和发展，质量控制技术也将慢慢得到更为重要的发展。 对叶片进行激光冲击强化处理的主要作用就是提高叶片的疲劳强度，从而延长叶片使用寿命。对LSP 质量最直接的检测手段是进行高频疲劳试验HCF (high cycle fatigue)，从而得到叶片经LSP 处理后的疲劳寿命，并以此作为质量判断的依据．但是该试验是破坏性的，在实际生产中不可能推广应用。另一方面，HCF 也无法实现在线质量检测。因此，对激光冲击强化处理零件的质量进行无损检测技术研究是十分必要的。 残余压应力是LSP的一个重要指标。零件内部有残余应力时，零件的固有频率和阻尼会发生变化，即可以采用对其固有频率的测量来实现。为实现对固有频率的在线实时检测，因此必须研制一种快速性极好的无损检测装置，以支持LSP这一工艺在航空制
造领域的推广和应用。 2 激光冲击处理质量控制方法 2.1激光冲击处理质量检测技术国内外发展现状 随着激光冲击强化处理技术的不断发展和完善，将来激光冲击强化处理技术在工业上的应用是大势所趋，因此，快速的发展实现对LSP加工工件质量控制技术，将会对于LSP加工工艺技术的推广和使用作下不可磨灭的贡献。 国外早期的测量方法是通过检测激光冲击后的凹陷的体积变化计算出金属表面的残余应力，但是这种方法也只能检测出金属表面应力的变化，并不是对整个零件结构的质量检测。也有人采用过X射线直接对金属的内部应力分布进行检测，但在工业应用中成本较高，操作复杂，不支持实时监测。另外就是通过声音检测的方法，将每次激光冲击后产生的声音数据记录经过信号转换传递到电脑上，对数据进行运算，来实现对零件的检测。目前有通过测声压的传感器进行FFT计算后处理结果的方法，也有通过声功率的检测，从而实现的方法。但是从发展情况看，在线检测技术是将来的趋势，也更能满足工业应用的需求。 而相对的国内，检测的方法并不多，主要是靠直观判别。南京大学声学研究所早期曾通过直观判别的方法实现了无损检测。 但是以上所叙述的方法都有一定的缺陷。尤其是在国内，有些只能通过直观判别的方法，以经验来进行检测，效率很低而且没有精度保证。国内对于航空发动机叶片固有频率的测量主要是通过共振法。由于受到各种影响，实际精度较低。另外还需要逐步改变激振力来寻找共振频率，难以实现在线检测。
