寧波材料所在新一代激光沖擊強化技術(shù)研究方面獲得突破
激光沖擊強化（Laser Shock Peening, LSP）是一種先進激光表面處理技術(shù)，可以有效地提高金屬部件的疲勞壽命等。常規(guī)LSP原理是，先在金屬表面貼服吸收層，側(cè)面噴水形成透明薄膜，然后將高強度(GW/cm2)、短脈沖(8～30ns量級)激光穿過透明約束水層，作用于吸收層，吸收層在強激光作用下，瞬時產(chǎn)生高溫、高壓等離子體。等離子體繼續(xù)吸收激光能量，急劇升溫膨脹，爆炸形成幾萬到幾十萬倍大氣壓的高強度沖擊波，作用于金屬工件。沖擊波的峰值壓力遠遠超過材料的動態(tài)屈服強度，材料發(fā)生塑性變形并在表層一定深度內(nèi)產(chǎn)生塑性變形和殘余壓應(yīng)力。LSP可以提高金屬材料的疲勞壽命、耐磨損和抗腐蝕能力，與其他表面強化技術(shù)相比，LSP具有無熱影響、可控性強以及強化效果顯著等突出優(yōu)點。美國、歐洲軍用發(fā)動機葉片普遍采用LSP處理，疲勞壽命相對未處理工件提高5-7倍，我國亟待將該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
但是傳統(tǒng)的激光沖擊強化技術(shù)存在一系列局限性，限制了這一技術(shù)的普遍應(yīng)用。首先，側(cè)面噴水形成水膜有邊沿效應(yīng)，工件中間和邊沿以及凸起不平的地方水膜厚度很難均勻控制；其次，傳統(tǒng)LSP要多次貼覆吸收層，錯位處理，以形成均勻應(yīng)力場，導(dǎo)致加工時間過長，工藝昂貴；再者，處理復(fù)雜曲面需要個性化編程；還有，水膜小，流濺射會對光路產(chǎn)生影響，能量耦合率低；最后，采用的激光器使用極限狀態(tài)，穩(wěn)定性差。
中國科學院寧波材料所先進制造所張文武研究員領(lǐng)導(dǎo)的激光與智能能量場制造工程團隊針對傳統(tǒng)激光沖擊強化工藝中存在的上述問題，發(fā)明了隨動型激光沖擊強化技術(shù)。如圖1所示，該技術(shù)利用同軸送水實現(xiàn)對約束層的穩(wěn)定控制，徹底解決了側(cè)面噴水的邊沿效應(yīng)；利用諧振腔大大提高了能量利用率；利用移動吸收層，徹底免除了前后處理。該工藝相對傳統(tǒng)LSP技術(shù)提高處理速度10倍以上，并且可以實現(xiàn)任意重疊率的處理。
團隊利用該技術(shù)對鋁合金材料、磨具鋼、鎳基高溫合金、鎂合金、鈦合金、磁性材料等眾多材料進行了表面強化處理，對硬度、磨損性、強度、耐腐蝕性和疲勞強度展開分析，證明新型沖擊強化效果顯著，使用方便。鋁合金材料處理后硬度提高30%以上，拉伸強度提高20%以上，耐磨性提高50%，耐腐蝕性提高3倍以上。
在剛剛結(jié)束的“第一屆激光復(fù)合制造協(xié)同創(chuàng)新國際論壇暨第十一屆全國高能密度熱處理學術(shù)會議”上，張文武擔任大會副主席，并且受邀請做了《對激光復(fù)合制造的新思考》的現(xiàn)場報告，引起了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注，各位專家對這項技術(shù)給予了高度評價。王浩做了《Experimental Research on New Generation Laser Shock Peening》的研究報告，相關(guān)論文獲得大會“優(yōu)秀論文獎”（2016,11月12-14日，杭州）。團隊已經(jīng)將該技術(shù)申報PCT專利。該技術(shù)的成功標志著第三代激光沖擊強化技術(shù)的成熟，為LSP技術(shù)廣泛應(yīng)用于復(fù)雜金屬部件的處理，如齒輪，機電腔體，刀具，微細結(jié)構(gòu)等掃清了商業(yè)化障礙。目前該技術(shù)正通過寧波大艾激光科技進行產(chǎn)業(yè)化。
圖1 新一代激光沖擊強化原理圖
（先進制造所 王浩）