西安天瑞达光电技术股份有限公司
Xi'an Tyrida Optical Electric Technology Co., Ltd

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激光冲击强化技术提升我国战机性能

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发表时间:2009-08-19 15:19

《激光与光电子学进展》2009年第5期

编者按(采写编辑王伟之):激光冲击强化技术是利用强激光辐照固体靶材的等离子体力学效应,提高金属材料的抗疲劳、抗腐蚀和耐磨损能力的一种高新技术。现已在美、俄等国家航空装备制造、维修以及其他装备制造业得到广泛应用。2008年11月28日,由空军工程大学、西安天瑞达光电技术发展有限公司和北京镭宝激光技术有限公司共同研制的“激光冲击强化成套设备及关键技术”通过了国家有关部门组织的技术成果鉴定,这项技术突破对解决我国飞机、发动机疲劳断裂问题、提高其可靠性具有重大意义,标志着我国在该技术向工业应用迈出重要一步。


激光冲击强化技术采用高功率密度的纳秒级短脉 冲激光辐照金属表面,通过强激光诱导的冲击波在金属材料表层引入残余压应力从而抑制疲劳裂纹的萌生和发展,使金属表面的保护涂层吸收激光能量发生爆炸性气化蒸发,产生的高压(GPa量级)等离子体冲击波作用于金属表面并向内部传播,能使材料表层产生应变强化,是一种新型的金属表面强化技术。激光冲击强化能在金属中产生数值较大、影响深度较深的残余压应力,同时使金属显微组织结构得到明显改善,可大幅度提高金属结构件的抗疲劳和抗腐蚀性能。与现有的冷挤压、喷丸等表面强化手段相比,具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点[1,2]。

据美国GE公司和劳仑斯•利弗莫尔国家实验室的研究表明,部分航空金属部件处理后疲劳寿命可提高近50倍。在国内,由空军工程大学和西安天瑞达光电技术发展有限公司合作进行的实验研究表明,激光冲击强化能使某型航空发动机叶片的疲劳强度提高1.6倍,能使某高温合金材料的疲劳寿命提高约30倍。

1998年激光冲击强化技术被美国《研发杂志》评为全美100项最重要的先进技术之一;美国在19世纪90年代开始的发动机高频疲劳研究计划中,该项技术位居首位,被美国军方确认为第四代战机发动机80项关键技术之一。2004年,美国为F22战斗机建立了价值2亿美元的激光冲击强化生产线。2005年,美国国防部授予从事激光冲击强化的MIC公司“国防制造最高成就奖”。

2004年 8月美国颁布激光冲击强化技术规范AMS2546,随之将其应用到波音777飞机的叶片处理。2005年之后又逐步推广到大型汽轮机、水轮机的叶片处理,以及汽车关键零部件的轻量化和延寿,美国将该技术的应用领域从军方扩展到民用市场,取得了巨大的社会效益和经济效益。

美国的战斗机工业之所以傲视全球,关键原因之一在于其拥有激光冲击强化技术。据五角大楼相关人士透露,这项技术已为美国空军强化数万件航空器零部件,并节约60亿美元维修成本。美国军工企业投入2亿美元,为F-22战斗机建设了一条专用的激光击强化生产线,可见这一技术对于战斗机制造工业的重要性。

1、突破技术壁垒

根据官方公布的消息,中国激光冲击强化关键技术已通过国家权威委员会的技术鉴定。第一条生产线也在国家航空高技术产业基地建成,这标志该技术向工业应用迈出重要一步。2008年 11月 28日,由空军工程大学、西安天瑞达光电技术发展有限公司和北京镭宝激光技术有限公司共同研制的“激光冲击强化成套设备及关键技术”通过了国家有关部门组织的技术成果鉴定。鉴定委员会由包括4位院士在内的15名专家组成,军队和地方共20个单位、30余名代表参加。鉴定委员会专家一致认为:该项目研究立足自主创新,突破了制约我国激光冲击强化应用的成套设备和关键工艺技术,打破了西方对我国的设备禁运和技术封锁,对解决我国飞机、发动机疲劳断裂问题、提高其可靠性等具有重大意义。同时,由西安天瑞达光电技术发展有限公司和陕西蓝鹰航空电器有限公司共同承建的我国第一条激光冲击强化生产线在西安国家航空高技术产业基地建成,标志着我国激光冲击强化技术向工程化应用迈出了重要一步。

2、拨开国产战机“迷雾”

2007年 6月美国商务部制定出口限制条例,严禁向中国出口一切与飞机及零部件制造相关的技术,这一条例至今仍然有效。在美国专家看来,中国战斗机制造工业的发展受制于关键零部件性能不过关,尤其是用于高性能战斗机的涡扇发动机技术始终难以突破瓶颈。此次中国激光冲击强化应用技术的重大突破对解决飞机发动机耐用性和可靠性问题具有重要意义,拨开从前迷雾,未来前景豁然开朗。

近年来,中国航空发动机的研发不断取得进展。继“昆仑”系列发动机(WP-14)之后,又成功开发出“太行”系列发动机(WS-10,黎明厂生产),并不断提升其性能。目前“太行”发动机已应用于中国国产歼-11B重型战斗机,未来将大量装备于新型歼-10战斗机。《航空航天技术周刊》指出,将激光冲击强化技术用于改进“太行”发动机,将使中国国产战机拥有一颗强健的“心脏”,同时对于中国自研大型运输机和重型轰炸机项目具有积极推动作用。

3、相关媒体报道

我国激光冲击强化应用技术取得突破的消息公布后,在世界范围引起关注,英国《新科学家》认为中国已经找到“强化战机的法宝”,第一条激光冲击强化生产线的建成标志着中国向该技术工业应用迈出重要一步,中国也成为世界上继美国之后第二个实现该技术工业化应用的国家。

俄罗斯《武器市场》等媒体认为,中国在激光冲击强化技术领域已经超越俄罗斯,该项技术将帮助中国造出世界一流战机。《武器市场》杂志对2009耀2013年全球战机市场形势进行了分析。文章指出,由于各国采购F-35战斗机的数量比预期的少,美国新型战机的出口量将明显下降。今后5年中,美国战机出口量为200架左右,总价值约174亿美元。俄罗斯将继续在战斗机市场上占据第二大出口国的位置。预计在2009耀2013年间,其新型战机的出口量将达290架,在数量上超过美国,但由于俄制战机的单价低,使得这些战机的总价值约为123亿美元。

据悉,未来5年,中国将在全球战机市场渐渐地向美俄看齐,亚洲和非洲一些传统的中国战机进口国,将继续购入中国战机。仅“枭龙”战机的出口量就将达到150架左右,此外,歼-10等性能出色的战机在巴基斯坦等国倍受欢迎。关键技术的突破将使中国出口的新型战机具备更高的性价比,从而进一步提升中国在国际战机市场上的地位。

4、展望

作为当今世界上最先进的金属表面强化手段,激光冲击强化技术是提升装备安全可靠性,提高其经济性指标的有效途径和重要手段,可广泛应用于国内与机械制造相关的航空、船舶、汽车、石油化工、装备制造和核工业等众多领域。对于我国相对较薄弱的基础材料工业和相对落后的加工工艺而言,该项技术今后在我国军民制造工业的应用推广具有重要的战略意义并将产生巨大的经济效益。

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参考文献

1、李伟,李应红,何卫锋等.激光冲击强化技术的发展和应用[J].激光与光电子学进展,2008,45(12):15~19

2、袁玲,任旭东,严刚等.激光冲击硬化层中激光声表面波的实验研究[J].中国激光,2008,35(1):120~124