沈阳自动化所激光冲击强化基础研究获进展

　　高性能零件一般都工作在高速、高精、高可靠性或使役环境极其复杂恶劣的条件下，一般需通过表面改性的技术手段对其进行性能优化，如喷丸、滚压、化学处理、表面涂层等技术提高零件的性能。但是，这些传统技术普遍存在废品率高、加工效率低等难题，特别是性能指标难以保证。

　　新近发展的激光冲击强化是利用强激光束产生的等离子体冲击波以高强度瞬间应力的方式作用在金属零件表面，导致零件表层发生位错、孪晶、晶粒细化等微结构组织演变，形成超过1mm厚的残余压应力层，从而大幅提高零件在恶劣苛刻使役条件下的硬度、强度、疲劳性能、耐磨性能和抗蚀性能。

　　自2009年起，中国科学院沈阳自动化研究所装备制造技术研究室激光冲击强化研究团队在承担国家“863”计划项目、中国科学院知识创新工程重要方向性项目、中国科学院战略性新兴产业科技行动计划项目、企业委托开发项目等多项纵横向课题的基础上，针对高性能零件激光冲击强化基础理论进行了深入的研究和实验分析。截至目前已解决激光冲击强化加工质量稳定性问题，实现了精准控制，另外，团队还揭示了激光冲击强化机理，掌握了激光冲击作用下的微结构及残余应力演变规律。

　　该团队通过开展深入研究和实验，构建了多功能的高性能零件激光冲击强化设备系统（如图1所示），加工质量不稳定度控制在±2.8%以内，光强实现平顶分布（如图2所示），并提出了路径自动规划和离线仿真方法、声波在线质量检测和光束转换方法、实现了制造过程的数字化控制、零件性能的定量预测以及零件性能逐点可控的主动加工方式。建立了激光等离子体冲击波能量、激光参数、约束层参数与材料组织性能之间的定量描述（如表1所示），分析了激光冲击波力学效应加工过程中出现的各种非线性强耦合、多尺度效应、强时空变化现象对加工性能的影响规律以及对激光冲击响应、材料动态力学行为、金属材料微观结构演化规律（如图3和图4所示），突破了大型高性能零件性能再提高的技术瓶颈。例如，利用沈阳自动化所开发的设备和工艺技术，可使直升机尾段联轴器扭曲疲劳寿命提高5倍以上、短弧汞灯曝光寿命提高20%以上、水下机器人铝合金结构件强度提高12%以上、某型号发动机叶片振动疲劳寿命从2.1×106提高至2.6×107。

　　相关科研成果已发表在Chinese Journal of Aeronautics, Applied Surface Science 等多个期刊上。

图1. 激光冲击强化系统

图2. 光强能量分布

图3. TiAl合金激光冲击强化前后织构的变化

图4. TiAl合金微观组织形貌。a）母材；b）冲击后位错缠结；c）冲击后位错孪晶；d）冲击后位错割接；e）冲击后位错墙；f）冲击后亚晶界