2. 国内研究现状
国内从20世纪90年代开始激光冲击强化技术的研究，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。开展了激光冲击强化研究的单位主要有中国科学技术大学、江苏大学、南京航空航天大学、华中理工大学、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。
南京航空航天大学的探索研究比较早，初步验证了激光冲击强化是有作用的，在国内具有一定开创性。华中理工大学对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。
2006 年～2007 年从表面粗糙度、残余应力和微观 组织结构方面研究了 LSP 使材料表面抗疲劳、抗腐 蚀、抗打伤能力提高的机理。如图 2 所示，LSP 能大幅 提高材料表面的残余压应力，表面残余压应力最高 达-1190 MPa 左右，且残余压应力的影响深度达 1 mm 左右。残余压应力的存在将改变结构表面的应力 场分布，提高材料的疲劳强度。激光冲击诱发的残余 压应力能使零件实际承受的应力比减小，其结果将使疲 劳裂纹扩展阈值获得提高，疲劳裂纹的扩展速率明显降 低。残余应力层越深，裂纹产生的位置越靠近材料内部， 裂纹越不容易产生，材料的疲劳性能就越好。
涂层的作用主要是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收，目前常用的涂层材料有黑漆和铝箔等。约束层除了能约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力外，还能通过对冲击波的反射延长其作用时间，目前最常用的约束层为流水。
三．激光冲击强化工艺特点
传统的表面形变强化工艺主要包括喷丸、滚压和孔挤压。孔挤压只适合于对一般规格的孔进行强化处理，而对于小孔、焊缝和盲孔等常见的应力集中部位则不能实施；滚压只适用于外形较简单的外表面；喷完由于通路和可达性的困难，其应用也受到很大限制。激光冲击处理工艺与这些传统工艺相比，具有如下优点：
（1）高压，冲击波的压力达到数GPa，乃至TPa量级，这是常规的机械加工难以达到的，例如，机械冲压的压力常在几十MPa至几百MPa之间。
（2）高能，激光束单脉冲能量达到几十焦耳，峰值功率达到GW量级，在10～20ns内将光能转变成冲击波机械能，实现了能量的高效利用。并且由于激光器的重复频率只需几Hz以下，整个激光冲击系统的负荷仅仅30KW左右，是低能耗的加工方式。
（3）超高应变率，冲击波作用时间仅仅几十纳秒，由于冲击波作用时间短，应变率达到10-10/s ,这比机械冲压高出10000倍，比爆炸成形高出100倍。
（４）LSP能形成深度更深且数值更大的残余压应力影响层，通过LSP获得的残余压应力影响层可达1～2mm，是喷丸的5～10倍，而其加工硬化程度明显低于机械喷丸处理；同时可保留较好的表面形貌，激光冲击处理后的表面不平度明显低于机械喷丸处理。
2) 医疗卫生业。例如对人造膝关节进行冲击强化 后，使用寿命可以从以前的 2～3年提高到 10 年，可减少手术次数，减轻病人痛苦；
3) 核废料处理。由于核废料的特殊性，需要将其 密封后深埋，这就要求核废料罐能达到上万年的设计 使用要求，而其上的焊缝是易发生腐蚀破坏的薄弱 区。LSP 能够显著提高焊缝的抗腐蚀性能。采用高腐 蚀性体积分数为 60%的 MgCl2 溶液在 160 ℃时浸泡试 件，经冲击强化后的焊缝在 1 周后未见腐蚀，而未经 强化的焊缝在 24 h 后即出现严重腐蚀；
激光冲击强化技术
学院：机电学院 班级：12机械电子工程（师范）
姓名：XXX学号：XXX
一．激光冲击概述
激光冲击强化技术(又称激光喷丸)(LSP)是利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。它具有非接触、无是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收，目前常用的涂层材料有黑漆和铝箔等。约束层除了能约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力外，还能通过对冲击波的反射延长其作用时间，目前常用的约束层为流水，K9玻璃。
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。
（５）LSP所用的激光参数和作用区域可以精确控制，参数也具有可重复性，可以在同一地方通过累积的形式多次强化，因而残余压应力的大小和强化层的深度精确可控。
（６）由于激光的可达性好，光斑大小可调，且能精确控制和定位，LSP技术能够处理一些传统工艺不能处理的部位。特别适合对小孔、倒角、焊缝和沟槽等部位进行强化，甚至能对一些微米级金属零件进行强化。
近年来，尽管需求越来越迫切，但受设备和关键技术的限制，国内的研究不够活跃。针对重大的应用要求，空军工程大学与西安天瑞达光电技术有限公司、江苏大学、西安蓝鹰电器设备公司和镭宝光电公司等多家单位合作，对激光冲击强化技术的强化机理、关键技术、成套设备和在航空发动机上的应用工艺进行了大量研究，现已研制出适合强化高温合金、钛合金等高强度材料用的HGN-1、HGN-2型高能脉冲激光器，以及脉冲能量为25J，重复频率达到1Hz的YAG激光器及其强化生产成套设备，制定了航空部件冲击强化工艺操作流程和质量检查规范，并在西安蓝鹰电器设备公司建立了激光冲击强化示范生产线，为该技术在航空工业上的应用上奠定了基础。
图2 镍基高温合金LSP后残余应力分布
2013年，中国科学院沈阳自动化研究所为沈阳黎明航空发动机有限责任公司开发了整体叶盘激光冲击强化设备，拉压试验寿命提高了30%左右。
此外，空军工程大学还进行了低能量小光斑激光 器 LSP 研究，研究表明：采用 2.5J、光斑直径 1.2 mm 的激光器，可达到 30 J、光斑直径 5 mm 的激光器冲 击效果。这项试验，对于采用低成本、技术成熟的激光 器进行 LSP，突破设备瓶颈有重要意义。
4) 船舶制造业。船舶在海水的长期作用下，极易发生腐蚀，尤其是管板焊接件、船体焊缝等，LSP 技术 将大大改善其使用寿命。
六．结语
LSP 技术是一种革命性的金属表面强化防护手段，与常规强化技术相比，在保持金属表面光洁度的 同时能获得数值更高、深度更深的残余压应力影响 层，能更有效地延长金属疲劳寿命，并改善其耐磨擦、耐腐蚀性能。随着对 LSP 技术研究的日益深入，以及 激光器制造工艺的成熟，这项技术必将在各个领域得 到广泛的应用。
四．激光冲击强化的研究现状
1.国外研究发展历程
1972 年，美国巴特尔学院 (BattelleMemorial Institute)的FairandB.P.等首次用高功率脉冲激光
诱导的冲击波来改变 7075 铝合金的显微结构组织以 提高其机械性能，从此揭开了 LSP 技术应用研究的序 幕。1978 年秋，该实验室的 Ford S.C 等与美国空军实 验室联合，进行激光冲击改善紧固件疲劳寿命的研究，结果表明 LSP 可大幅度提高紧固件的疲劳寿命。 20 世纪 80 年代后期，欧洲、日本、以色列等国家 和地区纷纷开展了 LSP 的相关研究。但从公开报道的 资料看，到目前为止，国际上还只有美国将 LSP 技术 实际应用。20 世纪 90 年代美国利弗莫尔国家实验室 和 GE，MIC 公司等在美国高周疲劳研究国家计划支 持下，联合深入开展了 LSP 技术的理论、工艺和设备 的研究，使 LSP 技术获得了很大发展，逐步走向实用， 用于多种型号发动机的生产和修理。其中，F110 和 F101 发动机在使用中多次发生风扇叶片故障，迫 使 F101 每飞 25 h 和 F110 每天第一次飞行前要做一 次能够发现 0.127 mm 裂纹的精细检查，采用 LSP 解 决了这一问题。 进入 21 世纪之后，LSP 技术的应用取得了长足 的进展。美国空军为提高 LSP 生产效率做出了很大的 努力，设置了4个重要的制造技术计划 (Air Force ManufacturingTechnologyProgrammes)，解决了不 少 LSP 的工业应用问题。 2002 年以来，美国已将 LSP 大规模应用于航空部件的制造和修理中，例如： 美国 MIC 公司将 LSP 技术用于军用和民用喷气发动 机叶片以改善其疲劳寿命，不但提高了飞机发动机的 安全可靠性，而且每月可节约飞机保养费几百万美 元、节约零件更换费几百万美元。美国预计仅仅战斗 机发动机叶片的处理，就能节约成本超过 10 亿美元。 2004 年，美国激光冲击技术公司(LSP Technologies,Inc.，LSPT)与美国空军实验室开展了 针对 F/A-22 上 F119 发动机钛合金损伤叶片 LSP 修复研究，损伤叶片经过激光冲击处理后，疲劳强度 为 413.7 MPa，完全满足叶片使用的设计要求 379 MPa，取得了巨大成功。目前，LSP 技术已用于 F119- PW-100 发动机生产线。 近年来，国外还针对 LSP 技术在民用方面的应用 展开了研究。2003 年 LSP 技术被美联邦航空局(FAA) 和日本亚细亚航空 (JAA) 批准为飞机关键件维修技 术。美国在 2004 年正式颁布了 LSP 操作规范，当年这 项技术还被应用于波音 777 民用飞机的叶片处理。
五．激光冲击强化的应用前景
LSP 对各种铝合金、高温合金、不锈钢以及钛合金均有良好的强化效果。除了在航空工业具有极 好的应用前景外，其潜在应用还包括以下方面：
1) 汽车制造业。LSP 技术可以使汽车制造商使用 更少的材料来达到更高的强度，从而降低制造成本并 减轻车身重量，进而降低耗油量，对节约能源和环境 保护意义重大；