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绪论
一、
激光强化基本理论与叶片模态分析
二、
叶片激光冲击强化建模与残余应力仿真
三、
叶片激光冲击参数及工艺方案的优化
四、
叶片激光冲击强化残余应力实验分析
五、
总结与展望
六、
总纲
一、绪论
本课题来源于陕西省自然科学基金项目:合金材料激光冲击强化研究(2010JM6012)。
航空发动机是飞机的动力装置,为其提供飞行推力,被誉为飞机的“心脏”。叶片是发动机气流通道的主要部件,在高温高速下工作,承受着复杂的循环热载荷及机械载荷,一旦发生破坏性故障将导致极其严重的后果。为保障发动机和飞机在服役期间的稳定性和可靠性,迫切需要有效地手段来提高发动机叶片的强度和疲劳寿命。美国成功的运用激光冲击强化技术对发动机进行表面改性,提高其结构抗力,并将其列为四代战机发动机80项关键技术之一。
激光冲击强化(Laser Shock Peening,简称LSP)是新兴的表面冷处理技术,利用高功率密度(109w/cm2)短脉冲(ns级)激光束对有约束层和吸收层的工件表面进行辐照,吸收层吸收激光能量后发生爆炸蒸发气化,在约束层的作用下产生高压的等离子体冲击波,冲击波对工件表面进行高压冲击强化,在冲击区域表面形成稳定的残余压应力场,起到提高工件抗疲劳强度、耐磨性和防腐蚀性能的冷表面处理工艺。

与传统的喷丸、滚压等强化技术相比,激光冲击强化技术具有以下优点:
(1) 通过高功率密度激光对工件表面进行强化可获得比普通强化技术高出将近十倍的表面残余压应力,残余压应力层的深度是普通工艺的两到三倍。
(2) 激光冲击强化是一种新兴的技术,对工件表面进行强化过程中无需与工件接触,因此可以通过调整激光设备参数实现对复杂形状不同材料的零部件进行表面强化。
(3) 激光冲击强化对环境的适应性强,不会对工件造成腐蚀损伤,相比传统工艺能够获得良好的表面形貌。

早在20世纪60年代,随着高功率密度激光能够产生高压冲击波的能力被发现后[9],许多学者们开始了激光在许多领域的研究,包括改变材料的性能[10],用激光进行金属薄板的切割成形[11]以及爆炸方面[12]的研究等。由于高的爆轰波压力能够获得高的冲击波,Anderhlom[14]首次采用约束层的方法建立了了获得高压爆轰波的模型。Fairand和Clauer[15,16]致力于激光冲击强化的过程以及材料对冲击波
的动态响应的研究,研究采用不同材料的吸收层对爆轰波峰压力的影响,并成功将该技术应用到紧固件接口处疲劳强度的提高方面。美国MIC公司通过建立齿轮模型如图所示,仿真模拟齿轮经激光冲击强化后残余应力场的分布情况,通过实验对比分析仿真结果与实验结果,齿轮激光冲击强化后能够有效地提高其抗疲劳磨损能力[8]。
齿轮激光冲击强化仿真结果
20世纪90年代,国内研究者开始了激光冲击强化的理论和实验研究,1992年南京航空航天大学对航空铝合金2024T63的激光冲击强化实验研究,研究成果进一步验证了激光冲击能够有效提高材料的疲劳寿命[22]。空军工程大学于2003年开始激光冲击强化机理和相关实验的研究,成功搭建了用于航空发动机叶片强化的YAG激光实验装置,致力于研究激光冲击参数对叶片疲劳、耐腐蚀等强度的影响。

工件进行激光冲击强化的目的是为了提高其抗疲劳,耐磨损等性能。为了能精确评价激光参数对工件性能的影响,需要从两个阶段来实现,第一个阶段是建立激光冲击参数和残余应力场之间的对应关系,第二个阶段是工件的性能与残余应力场的对应关系。目前大多数的激光冲击强化数值模拟研究仅局限于规则形状的简单几何形体模型,且涉及的激光控制参数较少,仿真得到残余应力场还不够,还需要建立算法模型来评价残余应力对工件的综合性能的影响程度,这一算法能够建立激光冲击参数和工件疲劳性能的对应关系,最终得到对任意工件疲劳性能改善的最优工艺参数。
激光冲击强化机理及材料动态响应本构关系的研究
模态理论研究与钛合金叶片模态分析
钛合金叶片激光冲击强化模型的建立及关键问题讨论
激光冲击参数对残余应力影响和参数的正交实验优化
搭接率及冲击方式对残余应力的影响
叶片激光冲击强化残余应力实验分析


激光冲击强化技术,简称LSP技术,原理是强激光脉冲辐照在物质表面上产生等离子体,等离子体进一步吸收激光能量,爆炸形成强爆轰波,当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时,材料表层就产生应变硬化,残留很大的压应力,同时微观组织发生很大的变化,可显著提高材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能。冲击原理如图所示。
图激光冲击强化原理
二、激光强化基本理论与叶片模态分析
激光冲击强化后,叶片表面冲击区域受到周围材料的反作用会产生残余应力,