沈陽自動化所激光沖擊強化基礎研究獲進展

　　高性能零件一般都工作在高速、高精、高可靠性或使役環境極其復雜惡劣的條件下，一般需通過表面改性的技術手段對其進行性能優化，如噴丸、滾壓、化學處理、表面涂層等技術提高零件的性能。但是，這些傳統技術普遍存在廢品率高、加工效率低等難題，特別是性能指標難以保證。

　　新近發展的激光沖擊強化是利用強激光束產生的等離子體沖擊波以高強度瞬間應力的方式作用在金屬零件表面，導致零件表層發生位錯、孿晶、晶粒細化等微結構組織演變，形成超過1mm厚的殘余壓應力層，從而大幅提高零件在惡劣苛刻使役條件下的硬度、強度、疲勞性能、耐磨性能和抗蝕性能。

　　自2009年起，中國科學院沈陽自動化研究所裝備制造技術研究室激光沖擊強化研究團隊在承擔國家“863”計劃項目、中國科學院知識創新工程重要方向性項目、中國科學院戰略性新興產業科技行動計劃項目、企業委托開發項目等多項縱橫向課題的基礎上，針對高性能零件激光沖擊強化基礎理論進行了深入的研究和實驗分析。截至目前已解決激光沖擊強化加工質量穩定性問題，實現了精準控制，另外，團隊還揭示了激光沖擊強化機理，掌握了激光沖擊作用下的微結構及殘余應力演變規律。

　　該團隊通過開展深入研究和實驗，構建了多功能的高性能零件激光沖擊強化設備系統（如圖1所示），加工質量不穩定度控制在±2.8%以內，光強實現平頂分布（如圖2所示），并提出了路徑自動規劃和離線仿真方法、聲波在線質量檢測和光束轉換方法、實現了制造過程的數字化控制、零件性能的定量預測以及零件性能逐點可控的主動加工方式。建立了激光等離子體沖擊波能量、激光參數、約束層參數與材料組織性能之間的定量描述（如表1所示），分析了激光沖擊波力學效應加工過程中出現的各種非線性強耦合、多尺度效應、強時空變化現象對加工性能的影響規律以及對激光沖擊響應、材料動態力學行為、金屬材料微觀結構演化規律（如圖3和圖4所示），突破了大型高性能零件性能再提高的技術瓶頸。例如，利用沈陽自動化所開發的設備和工藝技術，可使直升機尾段聯軸器扭曲疲勞壽命提高5倍以上、短弧汞燈曝光壽命提高20%以上、水下機器人鋁合金結構件強度提高12%以上、某型號發動機葉片振動疲勞壽命從2.1×106提高至2.6×107。

　　相關科研成果已發表在Chinese Journal of Aeronautics, Applied Surface Science 等多個期刊上。

圖1. 激光沖擊強化系統

圖2. 光強能量分布

圖3. TiAl合金激光沖擊強化前后織構的變化

圖4. TiAl合金微觀組織形貌。a）母材；b）沖擊后位錯纏結；c）沖擊后位錯孿晶；d）沖擊后位錯割接；e）沖擊后位錯墻；f）沖擊后亞晶界