高能束流加工技术在航空领域的应用进展

以激光/电子束为代表的高能束流加工是航空装备研制中不可或缺的技术,也是当今先进制造技术发展的前沿领域。本文分别介绍了高能束流加工技术在航空结构的焊接、增材制造、表面改性中的应用：激光/电子束焊接实现了飞行器大尺寸机身结构与航空发动机结构的整体化。激光/电子束增材制造实现了复杂结构的轻量化与快速成形,并广泛应用于发动机叶片修复。在表面改性方面,激光冲击强化大幅改善了航空结构的疲劳性能;超快激光可用于涡轮叶片气膜孔的高精度制备以及表面微纳功能结构的制备;电子束加工出的表面尖峰大幅提升了金属-复材接头的强度。最后,从新材料、新结构、加工过程质量监控这3个方向对高能束流加工技术的发展趋势进行了展望。     

高能束表面改性技术在航空制造中的应用

以高能束流加工技术在航空发动机领域的应用为背景,综述了以激光冲击强化、离子注入为代表的高能束表面改性技术的原理、工艺、研究现状及应用,展望了高能束表面改性技术的发展趋势。     

董闯材料设计及载能束材料改性专家

作为三束材料改性教育部重点实验室的学术带头人,请您介绍一下"三束"技术及其在航空制造领域的发展前景. 董闯:"三束"指激光、电子、离子三种载能束.三束材料改性是将近代物理学的新技术引入材料科学而发展起来的一个新的综合学科,利用这些高能载能束流可实施材料的高效制备、加工和改性处理,为先进制造业提供新材料和新技术,具有绿色制造的特点,既有基础研究意义,也有工业应用背景.这类技术从20世纪80年代起就受到了广泛关注,三束材料改性重点实验室就是在这个背景下,在一批具有远见的老一辈科学家的倡议下,于1988年5月开始筹建,1991年10月正式运行.三束材料改性技术能够实现常规手段不能达到的材料性能,这在航空制造领域尤其重要,如可以通过三束实施合金表面强化处理乃至进行复杂部件的成形加工,我国因此建设了高能束流加工技术国防科技重点实验室,就是侧重于发挥三束技术的制造优势.     

轻合金表面改性技术现状

对铝、镁和钛基轻合金的激光表面改性技术,主要包括激光表面重熔、合金化、涂敷和冲击强化等的特点及研究和应用现状进行了简单评述．并提出了今后的发展趋势。用高能激光束对材料表面进行处理,改善表面某种性能的技术,统称为激光表面改性。与热喷涂和等离子堆焊工艺相比,激光表面改性技术具有对基体热影响小（基体变形很小）和易于实现自动化的优点;与电化学沉积、CVD、PVD及表面渗氮（渗碳）等表面改性技术相比,激光表面改性技术适宜的材料体系更为广泛,且可以得到厚度较大的改性居。如今,激光表面改性技术已获得了巨大发展,…     

激光喷丸表面强化技术的研究综述

激光喷丸是利用脉冲激光和材料相互作用诱导的冲击波压力实施表面改性的新型技术,适用于不同材料构件的表面处理。通过合理设置工艺参数,可以有效改变材料表面完整性,显著改善材料的耐磨损、耐腐蚀和抗疲劳性能,提高工程构件服役寿命。介绍了激光喷丸的技术原理、工艺特点和发展历程,综述了相关领域的国内外研究进展,总结了目前激光喷丸技术的主要应用方向,并就后续研究与应用进行了展望。     

安徽省航空设备测控与逆向工程实验室

正安徽省航空设备测控与逆向工程实验室面向我国新型国防航空装备安全运行保障重大需求,以打造"军民一体化"开放式科技创新体系为宗旨,解决航空产业发展中的重点、难点和紧迫的科学技术问题,提升装备使用效能,推动全省航空产业技术发展。实验室中长期重点发展科学方向是智能化预防性维修,攻克新型多功能高性能机载模块检测、机载计算机操作系统(含国产操作系统)及其应用开发、高度综合式航空系统智能化验证、新型激光强化等表面强化及改性、新型材料结构逆向设计制造与维修等技术难题。     

LY2铝合金的激光冲击强化区硬度和残余应力测试分析

为了研究激光冲击处理对LY2航空铝合金力学性能的影响,采用Nd:YAG激光器对航空铝合金LY2进行了激光冲击强化处理,测定其显微硬度和残余应力.结果表明,经过激光冲击处理后,试样表面没有受强脉冲激光和冲击波的破坏,而显微硬度和残余压应力明显提高,激光冲击处理后的强化区与光斑相当,深度约为1.2mm.     

高能束流加工技术的应用及发展

针对高能束焊接、高能束快速成形及高能束表面加工等三个方面进行讨论,概述并归纳当前的技术现状及应用,结合现代航空技术对制造工艺提出的新要求,阐述高能束流加工技术在航空制造中的发展趋势。     

金属材料激光表面改性与高性能金属零件激光快速成形技术研究进展

 简要报道本实验室目前在先进航空金属材料激光表面改性及高性能金属零件激光快速成形技术研究与应用的新进展。主要内容包括 :(1 )钛合金耐磨阻燃激光表面合金化与激光熔覆表面改性技术;(2 )刷式密封及指尖密封跑道高温自润滑耐磨涂层新材料及其激光熔覆制备新技术;(3 )难熔金属硅化物复合材料高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及激光熔覆涂层技术;(4 )高性能 /梯度性能钛合金及高温合金结构件激光快速成形技术。     

飞秒脉冲激光诱导TC4微结构表面抑冰特性实验

飞机发动机进气道前缘唇口积冰将会严重威胁航空安全,仿生研究表明具有微纳结构的疏水表面可以起到良好的抑冰效果。针对飞机唇口材料TC4,采用飞秒脉冲激光诱导制备TC4微结构表面,利用三维形貌仪和扫描电镜对TC4合金表面三维形貌和微纳结构进行观测,应用接触角测量仪分析表面浸润改性,依托结冰特性实验系统测试微结构表面抑冰抑霜性能,并分析飞秒脉冲激光加工工艺参数对表面微观结构和抑霜特性的影响机制。研究结果表明：随着激光扫描速度的增大,TC4合金表面形成的拱形沟壑深度增加,沟壑上方出现干涉条纹以及圆形凸起且微纳凸起的尺寸随扫描速度的增大而增大,接触角先减小后增大再减小;加工后表面液滴冻结时间比未加工表面延迟30 s;扫描速度2 000 mm/s时的液滴冻结时间最长,霜层质量最小,高度最低。飞秒激光加工TC4合金表面形成的微纳结构以及表面吸附的有机物能够改变表面接触角;粗糙度和表面形貌能够影响表面结冰时间和结霜量。     

脉冲激光热传导焊接技术在石英挠性加速度计 组件装配连接上的应用研究

在不改变激光重复频率、焊接速率、脉冲宽度、离焦量等参数的情况下,只改变峰值功率,采用Nd:YAG脉冲激光对石英加速度计表芯装配组件进行热传导焊接,通过X射线显微镜和超声波无损检测系统对焊接样件的焊缝形态与焊接质量进行检测分析,并对样件拉伸强度进行测试.结果表明:脉冲激光热传导焊接中的热输入量对焊缝形态和焊接质量有直接的影响,较低的热输入量可以实现边界轮廓整齐、表面光亮、热影响区较小、残余应力较低的焊缝形态,并且没有裂纹缺陷,同时焊接样件的拉伸强度是环氧胶粘接样件的3倍以上.因此,脉冲激光热传导焊接技术在组件装配连接上的应用具有潜在的优势.     

瞄准航空制造需求聚焦高能束流加工——走进高能束流加工技术国家级重点实验室

高能束流加工技术以高能量密度束流为热源与材料作用,从而实现材料的去除、连接、生长和改性,已成为航空制造领域中不可或缺的技术手段。高能束流加工技术国家级重点实验室依托中国航空制造技术研究院, 1993年4月批准立项,1996年3月批复运行,现拥有研究人员60余人。实验室现主要围绕新材料、新结构的激光、电子束、离子束及等离子体加工技术和关键装备技术等开展研究,并逐步形成自己的研究优势,取得了系列研究成果。     

地基激光清除椭圆轨道空间碎片特性的计算分析

空间碎片对人类航天活动的危害很大,用高能激光减缓其危害性已受到广泛关注.针对地基激光清除椭圆轨道空间碎片问题,提出了单脉冲变轨和多脉冲变轨两种计算分析方法.仿真计算结果表明,碎片初始真近角在100°～150°附近降轨效果最佳;从激光器在地球表面可供布站的区域讲,在碎片真近角180°附近,布站区域最大;当推进激光总作用时间较短或作用距离较小时,单脉冲变轨计算模型和多脉冲变轨计算模型计算结果接近,因此可采用单脉冲变轨计算模型计算结果近似表示多脉冲作用效果.     

热障涂层的激光表面改性参数优化和结构设计

热障涂层是航空发动机涡轮叶片关键核心技术之一,但在服役条件下常受环境沉积物、熔盐等的腐蚀而过早失效。激光表面改性是一种提高涂层抗腐蚀性能的有效办法,但改性涂层的激光工艺优化和结构设计亟待研究。本文采用脉冲Nd：YAG激光系统对Y₂O₃部分稳定ZrO₂（YSZ）热障涂层进行表面改性,研究了激光功率、扫描速度以及光束长度对改性层厚度、微观结构的影响。结果表明,激光改性层呈致密的柱状晶结构,并有纵向裂纹贯穿其中。改性层的厚度与激光功率成正比,受扫描速度影响不大,与光束长度成反比。激光功率过高,则改性层裂纹增加明显;光束长度过大,则改性层与下方涂层的界面缺陷增多,不利于界面结合。优化的激光改性参数为：激光的功率为75~80 W,扫描速度8 mm/s,光束长度为160 mm。设计了双层激光改性层,每层中的纵向裂纹不连续,使得整个改性层中无贯穿的纵向裂纹,有助于抑制高温腐蚀熔体的内渗。     

航空发动机风扇/压气机叶片激光冲击强化技术的发展与应用

激光冲击强化(Laser Shock Peening,LSP)技术是利用强脉冲激光产生的冲击波,从部件表面引入残余压应力的一种革新且最热门的表面强化技术.该技术在部件表面形成的残余压应力深度比常规喷丸强化处理的深5～10倍,具有提高抗疲劳强度、延长疲劳寿命、抑制裂纹的形成与扩展、提高抗微动疲劳/抗磨损/抗应力腐蚀断裂特性等特点.经过多年的开发与研究,美国于1997年将激光冲击强化技术成功应用于航空发动机风扇/压气机叶片,大幅度地提高了其抗外物损伤能力和高循环疲劳性能,并且于1998年被美国研发杂志评为全美100项最重要的先进技术之一,被美国军方认定为第4代战斗机发动机的80项关键技术之一.     

强流脉冲电子束金属材料表面改性处理

对典型金属材料,包括共析钢T8、模具钢D2和金属间化合物Fe-40Al进行强流脉冲电子束表面改性试验,分析了处理层显微组织和性能变化规律,明确"脉冲加热"与"脉冲熔化"处理模式,探讨强流脉冲电子束金属材料表面改性的工艺方法.     

脉冲激光辐射下VO_2薄膜的光限幅性能

采用反应溅射和后续退火工艺,在石英衬底上制备具有热致相变特性的VO_2薄膜,并对薄膜的光学性能进行表征。研究发现:在弱光辐射下,随着温度的改变,薄膜的透射率在可见及近红外光区会发生显著变化,具有良好的相变光开关特性;在强光辐射下,制备的VO_2薄膜同样具有良好的红外光调制深度;当脉冲激光波长为1064 nm时,随着脉冲能量的逐渐增强,薄膜的表面反射率逐渐降低,光限幅性能呈现出先升高再降低的趋势,其透射率最低可降至7%,薄膜的脉冲激光损伤阈值约为50 mJ/cm~2。     

航空钛合金抗疲劳表面改性技术研究进展

重点介绍了提高钛合金疲劳性能的表面改性技术的最新研究进展。主要从喷丸强化、激光冲击强化、挤压、滚压、离子注入、滚磨光整加工、水射流喷丸等典型方式对钛合金的加工能力、作用机理,以及加工后零件的残余应力水平和疲劳性能等方面进行了阐述,以期为航空钛合金零件的表面改性提供借鉴。     

脉冲激光刻蚀作用下冷喷涂沉积过程数值模拟

脉冲激光会烧蚀材料形成表面微纳结构,研究该刻蚀作用下的冷喷涂沉积过程,以提高表面修复质量与效率。首先,结合脉冲激光作用过程与实验观测结果建立了单/多粒子与基板的沉积模型;其次,运用热-结构耦合算法对存在表面微纳结构时的粒子/基板碰撞过程开展数值模拟,研究了脉冲激光刻蚀作用对冷喷涂材料沉积过程的影响;最后,分析了脉冲激光-冷喷涂复合修复过程中材料的沉积机理。结果表明,刻蚀作用形成的微纳结构使得粒子与基板的温度分布更加均匀,形变更加复杂,特别是碰撞中心区域的形变得到显著提升;且粒子碰撞在基板表面微纳结构的波峰处时应变、温升最大,波谷处时最小;脉冲激光-冷喷涂的沉积机理为塑性射流处的机械-物理结合与激光熔化区的冶金焊合。     

激光技术在风扇/压气机整体叶盘结构修理中的应用

世界知名航空发动机产品研制商和工艺开发商研发了激光金属沉积、激光低热输入精密金属沉积工艺和激光冲击强化表面处理工艺等先进且可行的激光工艺,并将其应用到整体叶盘等先进产品中,取得了很好的效果。因而,综述其特点、发展和应用可为中国新一代航空发动机风扇/压气机整体叶盘结构的发展提供参考与借鉴。