激光沖擊強化技術提升我國戰(zhàn)機性能

《激光與光電子學進展》2009年第5期

編者按(采寫編輯王偉之)：激光沖擊強化技術是利用強激光輻照固體靶材的等離子體力學效應，提高金屬材料的抗疲勞、抗腐蝕和耐磨損能力的一種高新技術?，F(xiàn)已在美、俄等國家航空裝備制造、維修以及其他裝備制造業(yè)得到廣泛應用。2008年11月28日，由空軍工程大學、西安天瑞達光電技術發(fā)展有限公司和北京鐳寶激光技術有限公司共同研制的“激光沖擊強化成套設備及關鍵技術”通過了國家有關部門組織的技術成果鑒定，這項技術突破對解決我國飛機、發(fā)動機疲勞斷裂問題、提高其可靠性具有重大意義，標志著我國在該技術向工業(yè)應用邁出重要一步。

激光沖擊強化技術采用高功率密度的納秒級短脈 沖激光輻照金屬表面，通過強激光誘導的沖擊波在金屬材料表層引入殘余壓應力從而抑制疲勞裂紋的萌生和發(fā)展，使金屬表面的保護涂層吸收激光能量發(fā)生爆炸性氣化蒸發(fā)，產(chǎn)生的高壓（GPa量級）等離子體沖擊波作用于金屬表面并向內(nèi)部傳播，能使材料表層產(chǎn)生應變強化，是一種新型的金屬表面強化技術。激光沖擊強化能在金屬中產(chǎn)生數(shù)值較大、影響深度較深的殘余壓應力，同時使金屬顯微組織結構得到明顯改善，可大幅度提高金屬結構件的抗疲勞和抗腐蝕性能。與現(xiàn)有的冷擠壓、噴丸等表面強化手段相比，具有非接觸、無熱影響區(qū)、可控性強以及強化效果顯著等突出優(yōu)點[1,2]。

據(jù)美國GE公司和勞侖斯?利弗莫爾國家實驗室的研究表明，部分航空金屬部件處理后疲勞壽命可提高近50倍。在國內(nèi)，由空軍工程大學和西安天瑞達光電技術發(fā)展有限公司合作進行的實驗研究表明，激光沖擊強化能使某型航空發(fā)動機葉片的疲勞強度提高1.6倍，能使某高溫合金材料的疲勞壽命提高約30倍。

1998年激光沖擊強化技術被美國《研發(fā)雜志》評為全美100項最重要的先進技術之一；美國在19世紀90年代開始的發(fā)動機高頻疲勞研究計劃中，該項技術位居首位，被美國軍方確認為第四代戰(zhàn)機發(fā)動機80項關鍵技術之一。2004年，美國為F22戰(zhàn)斗機建立了價值2億美元的激光沖擊強化生產(chǎn)線。2005年，美國國防部授予從事激光沖擊強化的MIC公司“國防制造最高成就獎”。

2004年 8月美國頒布激光沖擊強化技術規(guī)范AMS2546，隨之將其應用到波音777飛機的葉片處理。2005年之后又逐步推廣到大型汽輪機、水輪機的葉片處理，以及汽車關鍵零部件的輕量化和延壽，美國將該技術的應用領域從軍方擴展到民用市場，取得了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

美國的戰(zhàn)斗機工業(yè)之所以傲視全球，關鍵原因之一在于其擁有激光沖擊強化技術。據(jù)五角大樓相關人士透露，這項技術已為美國空軍強化數(shù)萬件航空器零部件，并節(jié)約60億美元維修成本。美國軍工企業(yè)投入2億美元，為F-22戰(zhàn)斗機建設了一條專用的激光擊強化生產(chǎn)線，可見這一技術對于戰(zhàn)斗機制造工業(yè)的重要性。

1、突破技術壁壘

根據(jù)官方公布的消息，中國激光沖擊強化關鍵技術已通過國家權威委員會的技術鑒定。第一條生產(chǎn)線也在國家航空高技術產(chǎn)業(yè)基地建成，這標志該技術向工業(yè)應用邁出重要一步。2008年 11月 28日，由空軍工程大學、西安天瑞達光電技術發(fā)展有限公司和北京鐳寶激光技術有限公司共同研制的“激光沖擊強化成套設備及關鍵技術”通過了國家有關部門組織的技術成果鑒定。鑒定委員會由包括4位院士在內(nèi)的15名專家組成，軍隊和地方共20個單位、30余名代表參加。鑒定委員會專家一致認為：該項目研究立足自主創(chuàng)新，突破了制約我國激光沖擊強化應用的成套設備和關鍵工藝技術，打破了西方對我國的設備禁運和技術封鎖，對解決我國飛機、發(fā)動機疲勞斷裂問題、提高其可靠性等具有重大意義。同時，由西安天瑞達光電技術發(fā)展有限公司和陜西藍鷹航空電器有限公司共同承建的我國第一條激光沖擊強化生產(chǎn)線在西安國家航空高技術產(chǎn)業(yè)基地建成，標志著我國激光沖擊強化技術向工程化應用邁出了重要一步。

2、撥開國產(chǎn)戰(zhàn)機“迷霧”

2007年 6月美國商務部制定出口限制條例，嚴禁向中國出口一切與飛機及零部件制造相關的技術，這一條例至今仍然有效。在美國專家看來，中國戰(zhàn)斗機制造工業(yè)的發(fā)展受制于關鍵零部件性能不過關，尤其是用于高性能戰(zhàn)斗機的渦扇發(fā)動機技術始終難以突破瓶頸。此次中國激光沖擊強化應用技術的重大突破對解決飛機發(fā)動機耐用性和可靠性問題具有重要意義，撥開從前迷霧，未來前景豁然開朗。

近年來，中國航空發(fā)動機的研發(fā)不斷取得進展。繼“昆侖”系列發(fā)動機（WP-14）之后，又成功開發(fā)出“太行”系列發(fā)動機（WS-10，黎明廠生產(chǎn)），并不斷提升其性能。目前“太行”發(fā)動機已應用于中國國產(chǎn)殲-11B重型戰(zhàn)斗機，未來將大量裝備于新型殲-10戰(zhàn)斗機。《航空航天技術周刊》指出，將激光沖擊強化技術用于改進“太行”發(fā)動機，將使中國國產(chǎn)戰(zhàn)機擁有一顆強健的“心臟”，同時對于中國自研大型運輸機和重型轟炸機項目具有積極推動作用。

3、相關媒體報道

我國激光沖擊強化應用技術取得突破的消息公布后，在世界范圍引起關注，英國《新科學家》認為中國已經(jīng)找到“強化戰(zhàn)機的法寶”，第一條激光沖擊強化生產(chǎn)線的建成標志著中國向該技術工業(yè)應用邁出重要一步，中國也成為世界上繼美國之后第二個實現(xiàn)該技術工業(yè)化應用的國家。

俄羅斯《武器市場》等媒體認為，中國在激光沖擊強化技術領域已經(jīng)超越俄羅斯，該項技術將幫助中國造出世界一流戰(zhàn)機?！段淦魇袌觥冯s志對2009耀2013年全球戰(zhàn)機市場形勢進行了分析。文章指出，由于各國采購F-35戰(zhàn)斗機的數(shù)量比預期的少，美國新型戰(zhàn)機的出口量將明顯下降。今后5年中，美國戰(zhàn)機出口量為200架左右，總價值約174億美元。俄羅斯將繼續(xù)在戰(zhàn)斗機市場上占據(jù)第二大出口國的位置。預計在2009耀2013年間，其新型戰(zhàn)機的出口量將達290架，在數(shù)量上超過美國，但由于俄制戰(zhàn)機的單價低，使得這些戰(zhàn)機的總價值約為123億美元。

據(jù)悉，未來5年，中國將在全球戰(zhàn)機市場漸漸地向美俄看齊，亞洲和非洲一些傳統(tǒng)的中國戰(zhàn)機進口國，將繼續(xù)購入中國戰(zhàn)機。僅“梟龍”戰(zhàn)機的出口量就將達到150架左右，此外，殲-10等性能出色的戰(zhàn)機在巴基斯坦等國倍受歡迎。關鍵技術的突破將使中國出口的新型戰(zhàn)機具備更高的性價比，從而進一步提升中國在國際戰(zhàn)機市場上的地位。

4、展望

作為當今世界上最先進的金屬表面強化手段，激光沖擊強化技術是提升裝備安全可靠性，提高其經(jīng)濟性指標的有效途徑和重要手段，可廣泛應用于國內(nèi)與機械制造相關的航空、船舶、汽車、石油化工、裝備制造和核工業(yè)等眾多領域。對于我國相對較薄弱的基礎材料工業(yè)和相對落后的加工工藝而言，該項技術今后在我國軍民制造工業(yè)的應用推廣具有重要的戰(zhàn)略意義并將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

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參考文獻

1、李偉,李應紅,何衛(wèi)鋒等.激光沖擊強化技術的發(fā)展和應用[J].激光與光電子學進展,2008,45(12):15~19

2、袁玲,任旭東,嚴剛等.激光沖擊硬化層中激光聲表面波的實驗研究[J].中國激光,2008,35(1):120~124

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