激光在航空业中的运用范文

本文作者：邹世坤单位：北京航空制造工程研究所

激光冲击处理激光冲击处理(lasershockprocessing)利用高峰值功率密度的脉冲激光(大于109W/cm2)辐射金属表面吸收层产生高温高压等离子体，该等离子体受到约束层的约束时产生高强度冲击波，使材料表层产生塑性应变，残留很大的压应力。其强化原理类似喷丸，因此也称作激光喷丸(laserpeening)。激光冲击处理获得的残余压应力层可达1mm，约为喷丸的2～5倍。当人们发现激光冲击处理具有很好的阻止裂纹萌生和扩展能力以后，激光冲击处理技术得到迅速发展[1～2]。激光冲击处理除日本东芝公司成功用于核工业中压力容器焊缝强化外，美国LLNL和MIC公司正在合作开发在医药、能源、航天等工业上的应用，但没有批量生产的报道。目前，激光冲击处理技术工业应用和批量生产上最为成熟的行业仍然是航空制造业，根据美国空军研究实验室的报告[3]，激光冲击处理在航空结构上的优势主要表现在以下几个方面:

（1）提高抗应力腐蚀能力,增强飞行疲劳断裂结构的安全性;

（2）新老飞行器的延寿；

（3）提高破坏的容忍性和持久性（新的燃气涡轮、修理件、铸件、焊接结构）；

（4）延长检修周期，减少保养成本；

（5）提高任务就绪效率。激光冲击处理的在航空制造业上的应用主要有机身结构、发动机结构及其他附属装置，如起落架、舰载机所用的飞机弹射器、尾钩着陆拦阻装置等。激光冲击处理未来潜在应用包括以下方面：

（1）用于易疲劳结构(如F-16壁板、机翼附件、飞行控制机构、轮子、闸、起落架等);

（2）用于钛合金、铝合金焊接结构，以提高耐久性；

（3）用于焊接的老化结构，以提高耐久性；

（4）用于紧固件和紧固孔，以提高抗腐蚀疲劳和应力腐蚀裂纹；

（5）低成本、高可靠性的铸件取代锻件；

（6）用于美国空军和英国皇家空军的飞机发动机和机身(神马发动机、一级风扇转子、一级定子、三级风扇转子、一级压缩机)，以提高抗异物破坏性能。

激光冲击处理技术机身上的应用

美国巴特尔学院早在1980年就开展了激光冲击处理研究，主要目的是改善航空铝合金的疲劳性能，取得了较好的效果。由于当时大脉冲功率的钕玻璃激光装置造价昂贵、重复频率低，加上设备的灵活性不能满足飞机结构装配现场的要求，激光冲击处理技术一直难以真正在飞机紧固结构上得到应用。LSP技术公司一直致力于这方面的研究，最近在专利中提出采用可移动的激光冲击强化装置对飞机结构进行强化的方案，如采用可移动的激光设备通过导光系统对飞机机翼蒙皮的铆接结构进行强化。

在该强化模式中，LSP技术公司直接对铆接后的结构进行强化。激光在铆钉表面产生冲击波，冲击波在向内部传播的过程中对铆钉表层进行了强化。冲击波的传播、聚焦及透射效应使下一层材料部分位置的冲击波强度足以产生应变硬化，铆钉孔孔角周边部位也能得到有效强化并获得表面残余压应力，这对于提高铆接结构的疲劳性能十分有利。

在紧固结构中，初始裂纹容易在金属薄板沉头孔的孔角部位或沉头配合面产生，主要是微动磨损容易导致裂纹的产生，紧固件的顶部由于受沉头部位的挤压也容易产生裂纹。激光冲击处理铆钉孔有几种不同的方式。通常有两种：一种是铆接与冲击的顺序不同，即铆接前对铆钉孔的冲击和铆接后对整个铆接部位的冲击；另一种是单双面的冲击。在飞机机身结构的装配现场，多数情况下双面冲击的效果较为理想;有些蒙皮结构对外表面疲劳性能要求较高，而内表面受空间所限，激光冲击处理有一定难度，此时可进行外表面的单面冲击。具体工艺的选择要根据强化效果与实施难度来确定。在未来的飞机机身结构中，铆接结构会逐渐被焊接结构或者整体结构代替，以提高机身的疲劳性能，获得减重效果。但焊接结构同样也是疲劳性能的薄弱环节，特别是飞机结构中广泛采用的钛合金、铝合金等材料对焊接的工艺要求很高，即使采用激光焊接、搅拌摩擦焊等新型工艺，疲劳性能和耐腐蚀性能也有所降低，激光冲击处理将是很好的焊后处理工艺。

激光冲击处理在发动机叶片上的应用

GE航空发动机通过引入激光冲击强化技术提高了钛合金叶片的耐久性并降低了叶片对外物破坏的敏感性。美国空军在1995年研究了风扇叶片对异物破坏(FOD)的敏感性，通过对风扇叶片激光冲击处理、未处理及喷丸3种方法对比，结果发现，已破坏的F101叶片经激光冲击处理后的疲劳强度接近甚至超过没有破坏也没有经过任何处理的叶片。

GE公司作为世界上激光冲击处理发动机叶片最为成熟的公司，自1997年批量强化F101-102(B-1B)以来，先后历经F110-129、F110-10(F16)、F110-132(F16,Block60)，直到四代机CFM56-5BP/7(B737/A320)、F118-100(B-2)，目前累计强化叶片80000片，提高叶片高周疲劳寿命5～6倍，创造了巨大的经济效益。

作为可重复的加工工艺，激光冲击处理在各种燃气发动机零件中有广泛的应用，但以前仅仅是批量用于单体叶片。2001～2002年，美国急需解决激光冲击处理F119发动机上的四级整体叶盘的难题，以提高F119发动机（F/A-22）四级整体叶盘高周疲劳和疲劳裂纹扩展阈值Kt。空军为F119整体叶盘生产线提供了特定的激光冲击强化技术，该技术包括自动涂层，保证工艺参数稳定的控制和监测以及保证激光束在叶片上正确定位的图像处理。2003年，空军投入巨资用于F119整体叶盘激光冲击处理工艺。LSP技术公司成功开发了机器人技术的激光冲击处理单元，快速涂层系统，大大提高了激光冲击处理效率，降低了运行成本，将F119整体叶盘激光冲击处理的时间从以前的40～44h缩短到8h以下,运行成本降低了50%～75%。

激光冲击处理发动机对整个战斗机产生了巨大的影响，它增加了发动机对异物破坏的容忍性，缩短了补给保养时间(不需要飞行前检查)，减少了A级事故发生率和维护成本。

国内激光冲击处理技术的研究现状和展望

“九五”期间，北京航空制造工程研究所在北京航空航天大学、中国科学技术大学等单位协助下，进行了TC4、GH30、1Cr18Ni9Ti、2024、1420等材料的激光冲击处理试验，在铝合金、不锈钢等材料上取得了很好的试验效果。但由于当时激光器的峰值功率水平较低，产生的冲击波压力未能有效强化钛合金材料，材料的疲劳性能提高幅度很小。“十五”期间，在提高激光器件水平的基础上，改进了激光冲击强化钛合金的工艺，强化后钛合金的疲劳性能明显提高。近期，北京航空制造工程研究所与沈阳航空发动机研究所合作开展了激光冲击强化TC4转子叶片的试验，采用了双光束双面冲击强化技术，单次冲击处理后获得明显的冲击坑，坑凹陷约为10µm，冲击区的残余压应力为-300～-400MPa以上，表面无变形和层裂等缺陷。江苏大学等单位也进行了板材激光冲击成形方面的研究，可望在模具工业上得到应用。

激光冲击处理在航空工业中具有很好的应用前景，我国近年有望在强化钛合金叶片和铝合金铆接结构等方面取得突破，但需要高频率、强脉冲激光设备和冲击处理工艺的支持。

要使激光冲击处理技术得到工业上的批量应用，还必须重视冲击波及残余应力等基础理论方面的研究,形成质量控制、自动检测等技术手段；激光技术和冲击处理工艺的发展、自动流程的形成及其运行成本的降低，将为激光冲击处理技术的市场推广打下良好的基础。