激光冲击强化技术
激光冲击强化的原理和应用
激光冲击强化的原理和应用1. 引言激光冲击强化是一种基于激光技术的金属表面处理方法，通过激光的高能量和高浓度束流对金属材料进行瞬间加热和快速冷却，以改善材料的力学性能和表面硬度。
本文将介绍激光冲击强化的原理和应用领域。
2. 原理激光冲击强化的原理基于激光在材料表面的作用。
当激光束照射到金属表面时，激光能量会被吸收并转化为热能。
这种热能的瞬时加热会导致局部温度升高，从而引起材料的熔化和损伤。
随后，激光在热膨胀过程中产生冷却速度快的凝固区域，通过迅速冷却可使凝固区域内的晶粒细化和固态相变等宏观结构改变发生。
这些结构改变可以显著提高材料的力学性能和表面硬度。
3. 应用领域激光冲击强化技术在以下几个方面得到了广泛应用：3.1 金属材料加工激光冲击强化可用于提高金属材料的抗疲劳性能和抗磨损性能。
通过激光冲击强化处理，金属材料的表面硬度可以明显提高，从而延长其使用寿命。
这在航空航天、汽车制造和机械加工等领域具有重要的应用价值。
3.2 电子器件制造激光冲击强化技术也可以用于电子器件的制造。
例如，在半导体行业中，激光冲击强化可以提高电子器件的导电性能和耐磨性能，从而提高整个电子器件的性能和可靠性。
此外，激光冲击强化还可以用于制造微电子器件和纳米器件。
3.3 医疗领域激光冲击强化技术在医疗领域也有重要应用。
例如，在人工关节和牙科种植领域，激光冲击强化可以提高金属和陶瓷材料的力学性能，从而增加人工关节的使用寿命和牙科种植的成功率。
此外，激光冲击强化还可以用于制造骨科植入物和医疗器械的表面处理。
3.4 其他应用领域除了以上几个主要应用领域外，激光冲击强化技术还在其他一些领域得到了应用。
例如，在船舶制造和海洋工程中，激光冲击强化可以提高金属材料的耐腐蚀性能和抗氧化性能，从而延长船舶的使用寿命。
在建筑领域，激光冲击强化可以用于加固建筑物的结构材料，提高抗震能力。
4. 结论激光冲击强化是一种基于激光技术的金属表面处理方法，通过激光的高能量和高浓度束流对金属材料进行瞬间加热和快速冷却，以改善材料的力学性能和表面硬度。
激光冲击强化技术的发展及应用
学、 空军 工程 大学 等一 些高 等 院校和 科研 院所 ＿ ２。 ２ ５ 其 ］ －
中 ， 京 航 空 航 天 大学 的研 究 比较 早 ， 国 内具 有 一 南 在 定开创 性 。２ ０世 纪 ９ ０年代 中期 中 国科 学 技术 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 ， 次研 究 建立 了根 据 冲击 区表 面质 量 特征 首
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效 。与其 它消 除残 余拉 应 力 的方 法 比 ， 激光 冲 击强 化
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激 光 冲击 强 化 技 术 最 初 开 发 于 ２ Ｏ世 纪 ７ ０年代 初 的 美 国贝 尔 实 验 室 。 １７ ９ ２年 ，美 国 巴特 尔 学 院
了一 系列 系统 而 富有 创 新性 的研 究 ｇ ３ ， 受 到设 备 ２ｏ但 ７］ －
让你一目了然激光冲击强化技术
让你一目了然激光冲击强化技术图1生化危机激光通道生化危机大家都看过吧，小编现在仍然记得那个恐怖的镜头，几个人通过了一个激光通道，然后……咦咦咦o(╯□╰)o当然那是科幻电影里的，在现实中激光就有很神奇的功用，俊酷程度甚至超过电影特效。
图2激光概念图今天，小编带大家了解一个神奇的加工技术——激光冲击强化！（听起来就很高大上啊有木有！）这么高大上的技术有什么来历呢，它又具有哪十八般武艺，在航空领域又如何应用呢，下面我们一起走进这个神奇的世界。
1.发展历史激光是上世纪可以发展的重大发现之一，而将激光应用于工业生产也仅仅只有半个多世纪的时间。
相比于那些传统的加工方式，比如喷丸强化、滚压等手段，激光冲击强化还是很年轻呢。
图3激光早在上世纪60年代，当时科学家发现，激光可以产生冲击波，并且随冲击波持续作用，可以在金属表层产生压应力，其值远远高于材料屈服强度。
上世纪70年代，美国科学家研究了激光冲击后材料表层的微观结构变化和位错，发现激光可以提高铝合金抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能。
之后美国学者又提出了可以用激光强化代替传统的喷丸强化。
上世纪九十年代，科学家利用数值模拟的方法来对激光冲击强化进行分析, 并用试验方法验证了模拟的有效性。
2.原理首先来一段科学的定义：激光冲击强化（简称LSP）技术, 是利用高功率密度（大于1GW/cm2）的短脉冲（n级）激光，辐照金属材料表面所产生的高密度等离子体喷射爆炸所形成的冲击应力波（GPa级）来改善材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能的一项新技术。
其实，通俗来说，激光冲击强化并没有这么复杂，下面听小编慢慢讲。
首先看一幅图，你就能懂大致的原理了。
图4激光冲击强化原理激光冲击强化类似于弹丸喷丸，只是把弹丸换作激光脉冲，前几期我们曾经介绍过喷丸强化。
举一个最简单的例子吧来说明原理吧，小编小时候生活在农村，见过铁匠打铁。
俗话说千锤百炼，这种方式能够让金属产生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余应力，提高金属的疲劳强度。
激光冲击强化的应用及问题
激光冲击强化的应用及问题作者：罗成来源：《科学与财富》2018年第18期摘要：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，提高金属材料的抗疲劳、抗腐蚀以及耐磨性能的新型技术。
本文在阅读了一定的相关文献后，对激光冲击强化的原理进行了简单描述，对激光冲击强化在高周疲劳和精密成型两个方面的应用进行了稍微提及。
同时，对激光冲击强化目前存在的问题笔者就自己的看法进行了提出。
关键词：LSP；高周疲劳；精密成型接触疲劳是两构件互相接触在力的作用下产生小片或小块状金属剥落而引起的表面失效。
随着科技的进步，激光冲击强化是近些年来越来越普遍的一种表面处理技术。
目前此种技术在各个国家都有应用，比如在美国，广泛应用于航空发动机关键结构件的表面强化。
一方面，它能提高金属的各方面性能，另一方面，它又能使得工序简单，影响小。
因此，它具有广阔的应用前景以及能产生巨大的经济效益。
激光冲击强化原理激光冲击强化原理图如下图所示，由高功率的脉冲激光通过约束层作用于目标材料的约束层上从而产生等离子体使得金属表面产生生塑性变形，获得表面残余压应力，从而提高材料的疲劳寿命强度。
目前，激光冲击强化技术的发展取得了巨大的成就，随着在某些领域零件的要求越来越苛刻，此项技术的应用领域也在与之同时的迅猛扩张，笔者主要介绍在高周疲劳与精密成形这两个领域的近期发展情况。
1.高周疲劳20世纪80年代，据美国调查，有95%以上的事故造成的原因都是由于疲劳断裂而引起的。
在20世纪初，美国首次在发动机叶片上应用成功并且专门设置了激光强化技术的生产线。
与国外相比，我国在激光强化方面起步较晚，但是一直以来，我国都没有停止过对激光冲击强化技术方面的研究，直到近些年来，我国才取得巨大的进展。
2008年在西安研究而成的连续脉冲激光冲击强化设备标志着我国拥有了使用激光冲击强化技术的能力。
2.精密成型既然激光冲击强化技术能够有效的改善提高金属的疲劳性能，自然而然的在精密成形方面会有巨大的应用前景。
激光冲击强化 标准
激光冲击强化标准
激光冲击强化是一种先进的表面处理技术，可以通过激光束对
材料表面进行高能量密度的冲击，从而显著提高材料的表面硬度、
耐磨性和抗疲劳性能。
这项技术在工业制造领域有着广泛的应用，
特别是在航空航天、汽车制造、电子设备和医疗器械等领域。
从技术标准的角度来看，激光冲击强化的标准主要包括对激光
设备、工艺参数、材料要求、强化效果评定等方面的规范。
例如，
针对激光设备，标准可能包括设备的功率范围、波长要求、脉冲频
率等技术指标；对于工艺参数，标准可能规定激光冲击的能量密度、冲击深度、冲击速度等参数的要求；对于材料要求，标准可能包括
被强化材料的种类、形状、表面质量等方面的要求；强化效果评定
方面的标准可能涉及表面硬度测试、显微组织观察、疲劳性能测试
等内容。
此外，激光冲击强化的标准还可能涉及安全规范、质量控制要求、环境保护等方面的内容。
这些标准的制定和遵循有助于确保激
光冲击强化工艺的稳定性、可靠性和安全性，推动行业的健康发展。
总的来说，激光冲击强化的标准化工作对于推动技术进步、规
范产业发展、提高产品质量具有重要意义。
通过遵循相关标准，可
以更好地保障激光冲击强化工艺的应用效果，促进相关行业的发展。
激光冲击强化技术原理
激光冲击强化技术原理
激光冲击强化技术是一种利用激光脉冲能量在材料表面产生高温、高压和高速度效应，从而改善材料表面性能的先进技术。
通过激光的高能量和短脉冲时间，可以在较小的区域
内产生高温和高压，从而使材料在短时间内发生隆起和微爆裂，形成显著的压缩位错和塑
性形变区域，进而改善材料表面的力学性能、耐腐蚀性能以及磨损性能等方面的性能。
激光冲击强化技术的原理主要涉及激光脉冲能量与材料相互作用的过程。
激光脉冲能
量的传递过程是一个复杂的热载荷作用及热传递过程的相互作用过程。
当激光脉冲能量到达材料表面时，瞬间产生高温和高压，同时产生膨胀应力。
此时，
热负荷和应力隐藏在材料内部，经过一段时间的沉积确实起到提高材料表面性能的作用。
此外，激光冲击强化技术会产生大量的位错和裂纹，其中部分绕过形成压缩塑性区域，进
而增加材料的表面硬度和抗疲劳性能。
由于激光脉冲能量非常集中，因此在微观尺度下的作用效果远远高于传统表面处理工艺。
该技术不仅可以提高材料表面硬度和延展性，而且可以使材料的表面平整度和平滑度
得到显著提高，从而大幅度降低磨损和摩擦系数。
此外，由于激光脉冲能量的高速脉冲和
非常小的冲击区域，因此可以避免产生冷却过渡区域，达到材料表面的均质性。
总之，激光冲击强化技术是一种先进的表面处理技术，可以显著提高材料表面性能，
并更有效地应用于高温、高压、高速等条件下的重载工况下。
在航空航天、海洋石油、汽
车制造等领域中有广泛的应用前景。
激光冲击强化对变形控制的影响研究
激光冲击强化对变形控制的影响研究一、激光冲击强化技术概述激光冲击强化技术是一种利用高能激光脉冲对材料表面进行处理的先进表面改性技术。
该技术通过激光与材料表面的相互作用，产生高速等离子体，进而对材料表面施加冲击波，以改善材料的表面性能。
激光冲击强化技术能够有效提高材料的疲劳寿命、抗腐蚀性和耐磨性，因此在航空航天、汽车制造、能源工业等领域得到了广泛的应用。
1.1 激光冲击强化技术原理激光冲击强化技术的核心原理是利用高能激光脉冲在材料表面产生等离子体，等离子体的膨胀产生冲击波，这些冲击波穿透材料表面，引起材料内部的塑性变形，从而实现材料表面的强化。
激光冲击强化过程中，材料表面的温度升高，但不会超过材料的熔点，因此不会对材料造成热损伤。
1.2 激光冲击强化技术的应用场景激光冲击强化技术的应用场景非常广泛，主要包括以下几个方面：- 航空航天：在航空航天领域，激光冲击强化技术被用于提高飞机发动机叶片、外壳等关键部件的疲劳寿命和抗腐蚀性。
- 汽车制造：在汽车制造领域，激光冲击强化技术可以提高汽车发动机部件、传动系统等的耐磨性和抗疲劳性能。
- 能源工业：在能源工业，激光冲击强化技术用于提高风力发电机叶片、核电站压力容器等设备的耐久性。
二、激光冲击强化对变形控制的影响激光冲击强化技术在提高材料性能的同时，也对材料的变形控制产生了重要影响。
通过对材料表面进行精确的激光冲击处理，可以实现对材料变形的有效控制，这对于精密制造和结构设计具有重要意义。
2.1 激光冲击强化对材料微观结构的影响激光冲击强化过程中，材料表面受到冲击波的作用，导致材料内部的微观结构发生变化。
这些变化包括晶粒细化、位错密度增加、相变等，这些微观结构的变化直接影响材料的宏观力学性能，如硬度、韧性和疲劳强度。
2.2 激光冲击强化对材料表面粗糙度的影响激光冲击强化技术在改善材料表面性能的同时，也会对材料表面粗糙度产生影响。
激光冲击处理后的表面粗糙度通常会降低，这是因为激光冲击波能够去除材料表面的缺陷和不平整，从而实现表面平滑化。
0802裴宏源 激光冲击强化的作用
激光冲击强化的作用激光冲击强化技术作为一种高新材料表面处理办法，可以有效提升金属材料的抗疲劳性能，在航空飞机/发动机制造业具有重要意义，且关系到国防航空装备，因此掌握该技术的欧美国家对我国实施技术封锁。
天瑞达公司立足国内研发力量，致力于激光冲击强化成套设备的系统集成与工业应用自动化控制开发。
依托空军工程大学的激光冲击强化理论与工艺研究，不断持续改进成套设备的可靠性与可控性。
激光冲击强化项目要真正从实验室走向工业化生产，必须满足的条件就是提高系统的自动化程度和可靠性，对强化过程的实时监控，这样才能保证激光冲击强化部件的质量。
目前在激光冲击强化技术在我国工业应用推广，成套设备是关键问题，首先我们需要知道激光冲击强化成套设备需要什么样的高功率激光器。
激光冲击强化技术最初开发于20世纪70年代初的美国贝尔实验室，我国著名物理学家钱临照教授早在60年代也提出过这方面的思想。
1972年，美国巴特尔学院（Battelle Memorial Institute）的Fairand B.P.等人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，从此揭开了用激光冲击强化应用研究的序幕。
1978年秋，该实验室的Ford S.C等人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，结果表明激光冲击强化可大幅度提高紧固件的疲劳寿命。
当时由于缺少可靠的、高脉冲频率的大功率激光器而未能实用化。
上世纪80年代后期，欧洲、日本、以色列等国家和地区纷纷开展了激光冲击强化技术研究。
但从公开报道的资料看，到目前为止，国际上还只有美国将激光冲击强化实际应用。
上世纪90年代在美国高频疲劳研究国家计划等支持下，美国利佛莫尔国家实验室和GE、MIC公司等联合深入开展了激光冲击强化技术的理论、工艺和设备的研究，使激光冲击强化技术获得了很大发展，逐步走向了实用，用于F110、F101、F414等发动机的生产和修理。
科技成果——激光冲击强化技术
科技成果——激光冲击强化技术技术开发单位中国航空工业集团公司中航（沈阳）高新科技有限公司技术简介激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波，可在深度大于1mm的零部件表面产生压缩表面残余应力，提高零部件的抗损伤裕度及疲劳性能，与冷挤压、喷丸等金属材料表面强化手段相比，具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。
目前国外发达制造企业已广泛使用该项技术，近年来，国内不少学者对激光冲击强化装备专用激光器也进行了大量的研究。
现阶段国内各研究机构拥有的激光冲击强化专用激光器设备都处于实验应用阶段，重复频率低，光束质量差，各参数调整困难，系统可操作性低，离激光冲击强化工业化应用有相当的距离。
激光冲击强化工艺具有众多的优越性，应用前景十分广泛。
要想走出研究而达到工业化应用的程度，就必需立足于国内的相关技术，开发出具有自主知识产权的激光冲击强化工艺技术和设备，并将其作为产业化来发展。
技术开发单位突破多领域关键零部件表面强化方面的瓶颈，建立激光冲击强化的示范应用平台，提高多领域关键零部件的抗疲劳和抗拉应力腐蚀等性能指标，进一步解决我国多领域关键零部件疲劳断裂问题。
进而在金属零部件表面处理市场，特别是在关键产品防疲劳失效市场上进行推广，从而突破国外对我国的技术封锁，缩小与国外的技术差距。
本着仿真与实验相结合，材料加工机理、工艺规划与装备研制并行进行的原则进行。
在约束层厚度、涂层厚度和激光参数以及激光冲击强化工艺等方面加大研究力度，掌握复杂曲面零件激光强化的规律，从而在激光强化工艺指导下明确激光强化参数、路径规划和相关配套装置与单元的特点与要求，研究出相应的关键零部件关键工艺技术及软件。
技术指标开发出激光冲击强化装备，并摸索出适合的激光冲击强化工艺参数。
通过该项装备的开发及应用，可以在关键零部件表面获得比常规强化技术更深的残余压应力层，从而大幅度提高关键零部件的疲劳寿命。
项目所需实现的具体考核指标包括：（1）激光冲击强化装备的考核指标：激光器形式为单路，重复频率为1-2Hz，单脉冲能量大于20J，脉宽为10-20ns，工作光斑为边长3-5mm的方形光斑，约束层厚度1-4mm（可调）；激光强化设备可以实现关键零部件的自动化加工。
激光冲击强化机理研究
激光冲击强化机理研究激光冲击强化（LaserShockPeening，简称LSP）是一种新型金属表面强化技术，它可以有效提高金属表面的抗疲劳性能。
LSP技术利用穿透式激光照射产生的强大冲击波，使表面产生局部深度软化，再通过微结构的改变从而获得强化效果。
随着激光技术的快速发展，LSP技术已经从实验室走向了实际应用，在航空、航天及汽车工业中得到广泛应用。
然而，对于LSP技术的基本机理还没有得到充分的阐明，在继续深入研究LSP改性机理的基础上，可以有效的提高LSP的应用效率。
LSP技术的基本原理是利用穿透式激光照射产生的高强度激光冲击波，引起金属表面的局部区域产生瞬时的高温和高压条件，局部材料因受到激光照射的冲击而对原有结构发生改变，从而实现对金属材料性能的改变。
LSP技术所产生高温、高压条件带来的机理可以归纳为以下三个方面：Femtosecond离子体技术、熔融塑性机理和微缺口封填机理。
首先，Femtosecond离子体技术是LSP技术的基本机理，它利用超短的激光脉冲产生的等离子体对材料表面进行热冲击，从而产生表面改性。
其次，熔融塑性是指激光冲击波引起的材料表面局部热塑性变形机制，通过激光照射使材料表面瞬时凝固，同时形成晶格超晶格改变，从而实现机械强化。
最后，微缺口封填机理是指材料表面激光冲击波引起的微缺口产生过程，当激光冲击波使材料表面材料瞬时气化，气泡、孔洞和裂纹的形成，然后冷却后，冷却的气化裂纹会变得紧密，形成致密的表面，从而达到强化金属表面的目的。
此外，激光冲击强化的改性效果不仅取决于冲击波的质量，还与材料的性质，激光技术参数，外部条件和表面结构等有关。
这些因素会影响LSP技术的微观结构改变，从而影响表面改性效果。
因此，研究LSP改性机理，尤其是研究不同表面结构，不同性质和外部条件对激光冲击强化改性效果的影响，对于提高LSP技术的应用效率具有重要意义。
目前，对LSP技术的研究主要集中在量子化学模拟、材料表征、弹性模拟和强度测试等方面，并已成功应用于航空、航天及汽车工业中的金属材料研究中。
激光冲击强化机理研究
激光冲击强化机理研究近年来，激光冲击强化技术已被广泛应用于工程机械和航空航天领域，通过对金属材料进行激光抛光处理，可以改善其力学性能，提高寿命和可靠性。
因此，研究激光冲击强化的机理尤为重要。
本文将介绍激光冲击强化的机制，包括激光作用机理、材料力学性能改变机理以及激光冲击与冲击强度的关系。
激光作用机理激光以高能量脉冲的形式激发物体表面，使表面受到极高的冲击力，从而使本来稳定的材料状态发生变化。
激光冲击时，表面下游层瞬间膨胀，形成一种流体态气泡，该气泡具有较高的温度和压力，当气泡爆炸后，就会形成一个热膨胀压力波，并将其传播到表面下层，其中的有害元素和不稳定因素随着气泡的爆炸而被清除。
随后，这种较大压力波将材料深层次改变。
材料力学性能改变机理激光改变材料表面力学性能的主要原因是激光冲击引起的深层次改变，包括表面压缩、内部拉伸、表面粗糙度变化和应力局部累积等作用。
表面压缩，即激光冲击造成的表面形变，其产生的力学效果是表面压缩、表面压强度增加以及表面硬度增加。
通过对金属材料的压缩可以使其表面不易被本身及环境中的有害因素侵蚀，从而改善材料的抗腐蚀性能。
内部拉伸，即激光冲击处理后材料的表面形变，其产生的力学效果是内部受力，表面层应力分布改变，表面弹性模量增大，抗弯曲强度提高。
通过增强材料内部结构，可以改善金属材料的力学性能，提高其可靠性和耐久性。
表面粗糙度变化，即激光改变材料表面微结构，使表面毛糙度改变，表面摩擦系数降低。
这样可以改善材料的表面质量，从而提高表面绝缘性和耐冲击性能。
应力局部累积，即激光改变材料表面受力结构，产生局部应力累积。
通过增强其表面应力分布，可以改善材料的抗冲击性能，减少材料表面的疲劳损伤。
激光冲击与冲击强度的关系激光冲击强化一般是根据冲击强度来进行处理的，其特点是冲击强度越高，材料的力学性能改变越明显。
激光作用机理的实际结果，是表面下游层以大量的热能和压缩应力迅速改变。
当冲击强度超过一定阈值时，材料的力学性能将显著改变，从而提高其可靠性和耐久性。
激光冲击强化与渗氮工艺
激光冲击强化与渗氮工艺
激光冲击强化和渗氮工艺是目前应用广泛的表面处理技术之一。
激光冲击强化是一种通过激光辐照金属表面，产生高能量密度的脉冲，从而使表面产生塑性变形和残余压应力，从而提高材料的硬度、强度和疲劳寿命的方法。
渗氮则是将氮原子渗入金属表面，形成一层氮化物，从而提高材料的硬度和耐磨性。
两种工艺结合使用，可以进一步提高材料的性能。
例如，在机械加工刀具上采用激光冲击强化和渗氮工艺，可以大大提高刀具的使用寿命和耐磨性，从而降低生产成本。
在航空航天领域，激光冲击强化和渗氮工艺也被广泛应用于发动机叶片和涡轮叶片等关键部件的表
面强化处理。
虽然激光冲击强化和渗氮工艺已经得到了广泛的应用，但是仍然存在一些问题需要解决。
例如，激光冲击强化会产生高温和残余应力，可能会影响材料的微观结构和性能；渗氮工艺存在氮化物层的厚度不均匀和质量不稳定等问题。
因此，未来的研究方向应该是进一步提高工艺的稳定性和控制性，以及解决产生的负面影响。
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激光冲击强化技术在核电领域的研究进展
激光冲击强化技术在核电领域的研究进展蔡振兵;周龙龙;俞延庆;方修洋;余施佳;周留成;何卫锋;李国杰;何艳磊【期刊名称】《中国表面工程》【年(卷),期】2024(37)1【摘要】激光冲击强化技术属于改善金属性能的重要表面形变强化技术,因其独特的技术优势在航天及船舶领域获得广泛应用。
随着科技的发展研发出多种激光冲击强化技术,并逐渐开始在核电装备领域获得应用,然而针对该技术在核电领域的研究进展缺乏系统的综述。
先通过介绍不同表面形变强化技术,叙述激光冲击强化技术的发展,阐述激光冲击强化机制,最后综述激光冲击强化技术在核电领域的应用研究进展。
总结发现,激光冲击强化技术可有效改善核电领域材料力学、摩擦磨损及腐蚀性能,但传统和添加辅助手段激光冲击强化技术受约束层和吸收层影响较大,无涂激光冲击强化技术对金属易产生热效应,飞秒激光冲击强化影响层浅且强化效果差,不同工艺技术在核电领域提升摩擦磨损性能研究较少。
对不同工艺激光冲击强化机理及在核电领域材料不同性能的提升进行深入研究,为进一步提升激光冲击强化技术在核电领域材料的应用提供理论基础,可为核电领域关键装备进行强化、提升核电装备运行寿命提供参考。
【总页数】18页(P41-58)【作者】蔡振兵;周龙龙;俞延庆;方修洋;余施佳;周留成;何卫锋;李国杰;何艳磊【作者单位】西南交通大学摩擦学研究所;空军工程大学等离子体动力学重点实验室;西安天瑞达光电技术股份有限公司【正文语种】中文【中图分类】TN249【相关文献】1.激光冲击强化技术的研究进展2.中国科技大学强激光技术研究所：激光冲击强化处理机3.激光修复技术研究进展综述及其在核电领域的应用前景分析4.双面激光冲击强化技术研究进展5.激光冲击强化对焊缝组织性能影响的研究进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
激光表面强化数值仿真分析
激光表面强化数值仿真分析
激光冲击强化(Laser Shocking Peening,LSP)技术是一种利用高功率密度短脉冲激光来改善金属综合机械性能的表面改性技术激光冲击强化技术多数采用光斑能量呈高斯分布的圆形光斑,光斑中心具有最大的冲击波压力。
同传统的机械喷丸、滚压强化相比,激光冲击强化技术有着加工柔性大、效率高、形成的残余压应力层深、表面质量好等优点,在航空、航天等制造领域有着潜在的重要应用。
2024-T3铝合金是用于制造飞机骨架零件的高强结构铝合金,研究2024-T3铝合金的激光冲击强化规律对于提高其疲劳寿命等机械性能具有重要意义。
本文以2024-T3铝合金为研究对象,采用有限元软件ABAQUS对2024-T3铝合金残余应力场进行三维数值模拟。
应用Johnson-Cook(JC)本构模型系统地探讨了激光参数对残余应力场的影响,主要内容及结论如下:分析激光参数(功率密度、光斑尺寸、脉宽、冲击次数)对单个光斑的表面和深度方向上的残余应力分布,得出适当的功率密度可以提高靶材表面残余压应力;光斑半径越大,残余压应力分布越均匀;脉宽使得残余压应力层深度的增量比较稳定;一定的冲击次数使得表面残余压应力和残余压应力层深度最大。
分析多个光斑下中心距和搭接率分别对残余应力场的影响,通过对中心距的讨论,得出正方形排列和正六边形排列对残余应力场的影响效果相同,均会使表面的残余压应力分布不均匀,且有一定的残余压应力层,而且加载条件不同时,会使模型底面产生不同的残余拉应力。
搭接率越大,表面残余压应力分布越均匀,且其值也会增大,残余压应力层也有一定的增大,但模型底面也产生很大的残余拉应力。
对于此现象,采用双面冲击
以消除残余拉应力。
激光冲击强化技术研究及其在航空叶片上的应用
激光冲击强化技术研究及其在航空叶片上的应用1.引言1.1 概述概述激光冲击强化技术是一种应用激光技术对材料进行表面改性的先进工艺。
通过短脉冲激光的高能量、高功率作用下，在材料表面产生极短时间内的热和冷却过程，以实现材料表面硬度的提升和性能的改善。
激光冲击强化技术在航空领域中的应用日益广泛，尤其在航空叶片的强化方面有着重要的作用。
本文将详细介绍激光冲击强化技术的研究进展，并探讨其在航空叶片上的应用。
首先，将对激光冲击强化技术的原理、特点和相关研究进行阐述，包括激光冲击强化的机理、影响因素以及当前的研究现状。
其次，将重点探讨激光冲击强化技术在航空叶片上的应用，包括航空叶片表面硬度的提升、耐磨性和抗腐蚀性能的改善等方面。
最后，总结激光冲击强化技术在航空叶片上的应用前景，并展望未来可能的研究方向。
通过本文的研究，我们可以更加全面地了解激光冲击强化技术及其在航空叶片上的应用。
这对于提升航空叶片的性能和延长其使用寿命具有重要意义，对于航空领域的发展也具有积极的推动作用。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括如下内容：文章结构的目的是为了对整篇文章进行一个简要的介绍，让读者对文章的组织和内容有一个初步的了解。
下面是文章结构的具体内容：本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分分为概述、文章结构和目的三个小节。
概述部分简要介绍了激光冲击强化技术研究及其在航空叶片上的应用的背景和意义。
文章结构部分则给出了整篇文章的组成结构。
目的部分说明了本文的目的和意义，即对激光冲击强化技术在航空叶片上的应用进行研究和探讨。
正文部分分为激光冲击强化技术研究和航空叶片上的应用两个小节。
激光冲击强化技术研究部分主要介绍了该技术的原理、方法、研究进展和应用领域，以及相关的实验和数据分析。
航空叶片上的应用部分则探讨了激光冲击强化技术在航空叶片上的具体应用情况，包括其对叶片性能的改善、飞行安全性的提升等方面的影响。
结论部分分为总结和展望两个小节。
激光冲击强化应变率
激光冲击强化应变率【最新版】目录一、引言二、激光冲击强化的概念及其原理1.激光冲击强化的定义2.激光冲击强化的原理三、激光冲击强化应变率的影响因素1.激光功率2.冲击时间3.冲击频率4.材料性质四、激光冲击强化应变率的应用1.提高金属材料的强度2.改善金属材料的韧性3.提高金属材料的耐磨性五、结论正文一、引言激光冲击强化作为一种新型的材料表面处理技术，已经在我国得到广泛应用。
该技术通过高能激光束对材料表面进行冲击，从而改变材料表面的应变率，提高材料的性能。
本文将从激光冲击强化应变率的概念、影响因素和应用等方面进行详细阐述。
二、激光冲击强化的概念及其原理1.激光冲击强化的定义激光冲击强化是指通过高能激光束对材料表面进行冲击，使材料表面产生高压和高温，从而改变材料表面的应变率，提高材料性能的一种表面处理技术。
2.激光冲击强化的原理激光冲击强化的原理主要基于材料在高应变率下的应变硬化现象。
当材料表面受到高能激光束的冲击时，材料表面会产生瞬时的高压和高温，使材料表面发生塑性变形。
随着应变率的增加，材料表面的硬度和强度也会相应提高。
三、激光冲击强化应变率的影响因素1.激光功率激光功率是影响激光冲击强化应变率的重要因素。
激光功率越大，产生的冲击压力越大，应变率也越大，从而提高材料表面的硬度和强度。
2.冲击时间冲击时间是指激光束对材料表面进行冲击的时间。
适当的冲击时间可以使材料表面产生充分的塑性变形，提高应变率，从而提高材料表面的性能。
3.冲击频率冲击频率是指激光束对材料表面进行冲击的次数。
适当的冲击频率可以使材料表面在短时间内产生多次塑性变形，提高应变率，从而提高材料表面的性能。
4.材料性质材料的性质也是影响激光冲击强化应变率的重要因素。
不同材料的应变率极限不同，因此在进行激光冲击强化处理时，需要根据材料的性质选择合适的激光功率、冲击时间和冲击频率。
四、激光冲击强化应变率的应用1.提高金属材料的强度激光冲击强化应变率可以有效地提高金属材料的强度。
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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；