基本原理

激光冲击强化技术(laser shock peening,简称LSP)是采用短脉冲、高峰值功率密度的激光辐照金属表面，使金属表面涂覆的吸收保护层吸收激光能量并发生爆炸性气化蒸发，产生高压的等离子体冲击波。利用冲击波的力效应，使表层材料微观组织发生变化，并在较深的厚度上残留压应力，从而提高金属材料抗疲劳、抗外物损伤、抗微动磨损性能。

国际上，军用航空发动机部件振动疲劳断裂是公认的航空技术难题。

●  上世纪70年代，美国率先开展LSP研究；90年代，美国实施“高周疲劳科学和技术计划”；LSP被美国研发杂志评为100项最有价值的新技术之一；

●  2000年以后，LSP在美国军用和民用领域迅速发展，取得了巨大的经济和社会效益。

2000年，LSP列入美军第四代战机发动机关键技术；2004年，美国颁布LSP技术规范AMS2546，应用范围从军用扩展到波音飞机等民用项目；2005年，美国国防部授予从事LSP的MIC公司“国防制造最高成就奖”。

——目前，国外仅有美国LSPT、MIC、GE公司,将LSP技术成功进行商业运营。

激光冲击强化的优势

① 冲击压力高。高压使材料表面产生塑性变形层，强化深度达到1mm -2mm.形成的残余压应力层是机械喷丸的2倍，显著提高了零件的寿命。

② 激光能够精确控制和定位从而能加工传统工艺无法处理的部位，如沟槽、小孔以及轮廓线等。残余压应力大小和深度可以精确可控。

③ 无机械损伤，与传统的强化工艺如喷丸、冷挤压相比，激光冲击强化后的金属表面不产生畸变和机械损伤。

④ 无热应力损伤，由于激光脉冲短，只有几十纳秒，激光与材料表面作用时间短，大部分能量被吸收层吸收，传到材料表面的热量很少，不会产生相变。

⑤ 激光冲击强化的材料范围广，如碳钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金、钛合金及镍基合金等。

⑥ 激光冲击强化对表面粗糙度无影响，不改变零件表面的精度和性能。

⑦ 工艺简单，对零件表面无污染。

激光冲击强化应用领域

激光冲击强化技术作为当今世界最先进的金属表面强化处理手段之一，是解决装备结构安全可靠性问题、提高其经济指标的有效途径，可广泛应用于航空、船舶、高铁、汽车、石油化工、核工业等装备制造领域。该技术的应用，对于提高我国装备制造业特别是中高端装备制造能力和水平，具有重要的现实意义和巨大的经济效益。

1.航空工业Aviation Industry

激光冲击强化LSP技术可用于航空发动机压气机叶片、涡轮叶片、整体叶盘、盘轴、导管等关键部件的强化处理，提高其抗疲劳断裂、抗外物损伤、抗微动磨损能力。

激光冲击强化LSP技术可用于飞机结构件（孔、边以及接耳等部位）、起落架、直升机减速器等关键承力部件的强化处理，提高其抗疲劳能力和修理质量。

2. 船舶工业Ship Industry

激光冲击强化LSP技术可用于舰用燃气轮机叶片、舰船管/板焊接件等关键部件（位）的强化处理，提高其抗疲劳断裂、抗外物损伤、抗微动磨损能力，大大改善其使用寿命。

3. 兵器工业Ordnance Industry

激光冲击强化LSP技术可用于坦克、枪炮等关键承力部件的强化处理，有效减少战场故障、提高装备战斗力。

4. 热电核能

（1）热电水电

激光冲击强化LSP技术可用于汽轮机叶片、水轮机叶片等的强化处理。

（2）核能领域

LSP技术可用于核废料桶焊缝的强化处理，保证核废料桶上万年不发生应力腐蚀泄露，避免环境遭受核污染。

5.轨道交通

LSP技术可用于铁路焊缝、铁路道岔和小半径曲线钢轨等关键基础部件的强化处理；对高铁接触网关键零部件（定位钩与定位支座等）进行处理后，可显著提高其抗疲劳磨损性能。

6. 石油化工

 激光冲击强化LSP技术可有效提高石油和天然气输送管道焊接区、以及钻探、增压设备等关键部件的抗疲劳性能。

7. 医疗卫生

激光冲击强化LSP技术可有效提高人体医疗金属材料植入物的微动疲劳寿命。

激光冲击强化LSP技术优势

1.  适用于各种金属材料的表面强化LSP 采用高功率密度激光作用于金属材料表层，诱导其发生塑性变形和晶粒细化，并形成较深的残余压应力，适用于各种金属材料（Cr/Ni/Ti/Al合金、不锈钢等）的表面强化。

2. 表面粗糙度影响较小

LSP处理后，材料表面微凹坑深为微米级，比传统喷丸表面更光滑（特殊工艺要求的模具LSP后精磨即可）。

3. 对工件无热影响

LSP利用激光冲击波的“力学效应”，对材料表面进行改性，提高材料的抗疲劳等性能，其加工过程对工件基本没有热影响。

（二）效果更好

残余压应力作用深度大于1mm（个别材料残余压应力作用深度达到2mm），是传统表面强化的5-10 倍。

2. 残余压应力值更高

以典型材料为例，钛合金、不锈钢、高温合金经LSP处理后，其最大残余压应力值分别超过600，800，800MPa。

3. 材料微观组织结构更加致密稳定

LSP引起高密度位错和晶粒细化，在一定高温条件下仍具有很好的稳定性，可显著提高材料的疲劳性能。 

（三）可控性强

LSP能够通过精确控制激光参数和工艺参数，处理传统工艺难于处理的部件/部位。

1.  激光参数可控

可以精确控制激光的功率密度、光斑、脉宽等参数。

2.  工艺参数可控

可以精确控制LSP的强化路径、次数、光斑搭接率、冲击方式等参数。

3. 复杂部件/部位强化

可以对超薄构件、小孔孔边、叶片榫齿和叶盘榫槽、齿轮部位等进行LSP强化处理。

4. 特殊部件（位）LSP工艺技术举例

（1）薄壁叶片LSP工艺技术

针对薄壁构件，公司研发出“延时错位矫正冲击”等变形控制方法，保证构件LSP后的宏观变形在允许范围内。

（2）小孔孔边LSP工艺技术

针对小孔部位，公司研发出小孔“端面冲击方法”，降低孔边应力集中现象，实现小孔周围应力分布合理，有效阻止孔边裂纹萌生。 

（3）榫槽部位LSP工艺技术

针对叶片榫齿部位，公司研发出“不等强度冲击方法”，采用特殊的光斑搭接和布置方式，以不同的能量密度，对榫槽底部及榫齿侧边进行处理，形成平衡过渡的残余应力场。