據國內有關權威媒體披露,由中國科學院瀋陽自動化研究所(以下簡稱瀋陽自動化所)研發的“SIA-LSP-11
型激光衝擊強化設備”和“SIA-LSP-21
型激光衝擊波加工裝備”在12月25日前按期正式交付給中國航發瀋陽黎明發動機有限公司(以下簡稱瀋陽黎明公司)和溫州大學,並先後在用戶使用現場開展了設備的安裝調試,實現了年內順利交付兩套激光衝擊強化設備的目標。更加讓人欣喜的是,文中更是首次披露,瀋陽自動化所已成功開展渦輪盤激光衝擊強化技術,突破了高溫端激光衝擊延壽技術瓶頸,為我國航空發動機最關鍵的熱端部件性能提高做出了突出貢獻。本文根據國內外公開資料對我國激光衝擊強化技術的最新進展做一簡介。
激光衝擊強化是一種新型的金屬材料表面改性技術,它利用強激光束產生的等離子衝擊波,來提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力。由於它與現有的冷擠壓、噴丸等金屬材料表面強化手段相比,具有非接觸、無熱影響區、可控性強以及強化效果顯著等突出優點,自產生之日起就得到了廣泛的關注和研究。時至今日,國外發達國家已經研製了一系列激光衝擊強化設備,美國甚至出現了多家專門提供激光衝擊強化設備和服務的公司和廠家。日本在激光衝擊強化領域也躍躍欲試,到目前為止已發展了三代激光衝擊強化設備,其最新一代產品以水為衝擊波吸收層,代替了以前常用的使用較為繁瑣的黑漆、鋁箔或黑膠帶,大幅提高了使用方便性。
據美國公開資料披露,激光衝擊強化技術是美國F22戰鬥機發動機維護的標準配備,可使F119發動機的風扇和壓氣機整體葉盤提高疲勞壽命4至5倍。除航空發動機外,美軍艦載機的着艦尾鈎也採用激光衝擊強化技術來提高其疲勞壽命。我國也有多家相關科研院所從20世紀90年代就開始進行激光衝擊強化技術的研究,由於該技術在國防,航空方面的高度敏感性,國外一直對我國進行相關技術封鎖,但國內相關院所經多年努力探索還是取得了很大的進展。如江蘇大學、中航工業北京航空製造工程研究所,某工程大學等就先後開發出多種葉片激光衝擊強化設備,有的設備甚至還出口到美國和新加坡。但其與國外相比,還有相當大的技術差距,尤其是其一致性較差,操作較繁瑣,難以實現在航空發動機生產企業的大規模工業化應用。
瀋陽自動化所在激光衝擊強化設備的研發方面處於國內領先地位,其自主研發的第一代整體葉盤激光衝擊強化設備在瀋陽黎明公司已穩定可靠運行多年,經激光衝擊強化後,某航空發動機葉盤葉片的振動疲勞壽命提高了12倍以上,獲得了極好的口碑和品牌優勢,為我國新型發動機研製生產做出了突出貢獻。其最新研製的第二代激光衝擊強化設備,生產效率與第一代相設備比提高了三倍左右,不僅能強化航空發動機整體葉盤,還能強化現役航空發動機所使用的非整體葉盤,例如焊縫、榫頭、榫槽等多種複雜曲面零件。其正式投產運行後將進一步提升我國在研第四代及在役第三代航空發動機結構件的使用性能,助力航空裝備快速發展。
高溫合金渦輪盤及渦輪葉片是航空發動機最關鍵的部位,也是激光衝擊強化研究的重點,熱點,難點,瀋陽自動化所已初步實現渦輪盤鎳基高溫合金激光衝擊表面強化,其公開資料稱,渦輪盤表面顯微硬度提高了20-30%,疲勞壽命最高可提高55%以上,且操作簡單,成本低,綠色無污染,延壽效果顯著。據俄羅斯媒體稱,我國從俄羅斯進口的AL31發動機一般壽命為900-1200小時(與渦輪盤同壽),採用激光衝擊強化技術後可將其壽命延長到1400至1800小時,相當於將發動機使用壽命又延長了3到4年,某型國產發動機則可以達到2000至3000小時,達到美軍同類型發動機壽命的一半以上,軍事和經濟價值極大。除此之外,激光強化技術在民用市場也有着廣泛的應用前景,如汽車的鋁合金車輪輪轂經激光衝擊強化後,最高強度可提高30%,大幅延長其使用壽命。