激光冲击强化技术的应用现状与发展

激光冲击强化是一种利用激光诱导等离子体冲击波来提高材料疲劳寿命的新型表面改性技术,具有强化效果显著、可控性强、适应性好等优点,对提高结构可靠性和部件疲劳强度、延长材料使用寿命具有重要作用。近年来,该技术受到了广泛重视,得到了快速发展。本文简要介绍了激光冲击强化技术的基本原理、特点与应用领域;总结了国内外激光冲击强化技术的发展状况与研究成果;并针对国内外激光冲击强化技术的现状,提出了一些现在需要解决的强化工艺问题;最后对激光冲击强化技术的应用前景进行了展望。

     

激光冲击强化技术的发展及应用现状

激光冲击强化(LSP)是一项新的表面强化处理技术。阐述了LSP技术表面强化的工艺优点和应用领域;介绍了国内外激光强化技术、工艺及设备研究和实际应用情况;分析了该技术在应用推广中亟待解决的设备研制、工艺改进等关键问题,并对其未来的应用前景、发展方向做了展望。     

双面激光冲击强化技术研究进展

激光冲击强化利用激光的力效应进行表面强化,传统的激光冲击强化技术为单面冲击,强化复杂型面薄壁件时,难以同时实现形状控制(控形)和疲劳性能控制(控性)。新型的双面激光冲击强化技术是解决复杂型面薄壁件表面强化难题的理想选择。介绍了两种双面激光冲击强化技术的原理和技术特点,对双面激光冲击强化的应力波传播、应力场分布等过程进行了分析,介绍了双面激光冲击强化在控形和控性方面的应用,并对双面激光冲击强化未来的发展进行了展望。     

激光冲击强化技术的研究与应用

本文介绍了激光冲击强化技术这种新型的金属材料表面强化技术,该技术可大幅度提高金属材料的疲劳寿命,为提高传统材料的综合力学性能和服役行为开辟了新路;文章重点论述了该技术在美国的工程应用情况以及国内的研究进展,最后简述了我国首条激光冲击强化生产线相关情况。     

激光冲击强化技术原理及研究发展

激光冲击强化技术(LSP)是一种新型的激光应用表面处理技术。与传统表面改性技术相比,激光冲击强化技术能给材料带来更深的残余应力层,使材料表层晶粒细化甚至出现纳米晶,同时大幅提高材料的疲劳寿命。利用高能激光辐照约束层材料(黑漆、黑胶带或铝箔),约束层材料在瞬间熔融气化并产生高温高压的等离子体。等离子体冲击波是一种爆轰波,可以通过C-J模型计算冲击波的峰值压力。等离子体冲击波在约束层(水、光学玻璃)的约束下向材料内部传播,其压力远远超过了材料的弹性屈服极限,材料经历了弹性-塑性变形,最终材料表面形成稳定的残余应力场并发生微弱的塑性变形。本文介绍了激光冲击强化技术的研究发展历程,在此基础上对该技术发展方向进行了展望。

     

7050铝合金激光冲击强化形貌光学表征与表面残余应力分布的研究

本研究涉及7050铝合金激光冲击强化形貌的定量光学表征和表面残余应力分布的测定。研究表明，随着激光脉冲能量的增加，冲击凹陷深度与冲击区表面粗糙度均有所增加；冲击区径向残余应力的分布与横截面凹陷深度的分布相似。冲击区径向残余应力分布与激光冲击产生的弹一塑性波分布有关；弹一塑性波产生的塑性变形越大，残余应力也越大。较大的激光脉冲能量可产生中心对称的塑性变形和相应的残余应力分布。     

飞秒激光加热引起相变过程的研究进展

飞秒激光因其在烧蚀固体材料时的独特机制,具有高精度高微结构的能力,表现出广阔的工程应用前景,因此近年来关于飞秒激光的研究受到广泛关注.报道了近年来飞秒激光的实验测定方法,综述了用于研究由激光加热引起的微尺度热传导的几种数值模型和方法,着重描述了分子动力学数值模拟方法,分析总结了现有的烧蚀机制,并展望了其发展前景.     

激光冲击强化设备的开发

针对目前国内激光冲击强化设备工业化程度不高的问题,采用固定光路系统结构形式和模块化设计方法,研制了一款激光冲击强化设备。分析了激光冲击强化设备的设计方案、激光光路布置特点以及系统控制方法,并对激光冲击强化设备技术指标进行了测试。保持室温在(22±2) ℃以内,设备开机20 min后,输出最大脉冲能量可达25 J,能量波动范围不超过3%,脉宽在16 ns~20 ns之间连续可调,波动范围在-1 ns~1 ns以内,光束的发散角小于2.5 mrad,光束指向波动小于50 μrad,重复频率0.5 Hz~5 Hz可调,光路系统的传输效率约为92%,约束层厚度均匀、且流量连续可控。测试结果表明,激光冲击强化设备的各项性能良好。     

激光冲击强化设备控制系统

针对复杂曲面类零件,研发一种新型表面激光冲击强化的控制系统,该系统是一套全自动可控操作系统,通过工控机/PLC集成控制,实现自动化、数字化控制,并完成实时在线监控和信息交互反馈,属于开放式分布系统。该系统用于激光冲击强化核心设备(包括激光器、机器人、辅助控制、质量检测装置与辅助系统等),实现各环节的信息交互和系统的协同工作,通过实时监控系统,远程观察加工状态,有效避免重大事故的发生。同时,该控制系统添加激光冲击强化工艺试验数据记录功能,可根据实际需求调用后台工艺参数数据库,实现高效工艺参数优化。除此之外,该系统还能够实现激光冲击强化模型建立、加工过程有限元模拟、复杂曲面加工轨迹自动规划、加工策略制定等功能,从而实现激光冲击强化自动化生产,目前已经处于工程应用阶段。     

飞秒激光玻璃微加工技术

为了研究飞秒激光作用下光学玻璃内部发生的改性过程,利用重复频率为1kHz、中心波长为775am、脉宽为130fs的飞秒激光对光学玻璃进行微加工．结果表明,激光辐照区发生永久性折射率改变,并且玻璃的改性线宽随着激光功率的增加而增加,随激光扫描速度的降低而增加．根据飞秒激光致使光学玻璃发生改性的特点,利用飞秒激光在光学玻璃内部直接刻写了相位光栅和二维图案,研究了相位光栅的衍射特性．     

飞秒激光诱导金属表面结构化研究新进展

总结了飞秒脉冲激光烧蚀金属的研究进展,经过烧蚀后的表面形成了几种结构,包括随机分布的微纳米结构、激光诱导的周期表面结构、激光扫描的周期结构和孔阵列结构,阐述了金属表面结构化后独特的光谱吸收增强特性,最后展望了其潜在应用.     

抗疲劳的表面强化技术

飞行器零部件多在交变载荷下服役,易发生疲劳失效。介绍了目前主要应用和在研的三种抗疲劳表面强化技术：喷丸强化、孔挤压强化和激光冲击强化,以及三种技术的工艺特点,设备,研究情况和应用情况。     

飞秒激光过饱和掺杂硅材料的研究及发展

飞秒激光利用其超快的作用时间、超强的峰值功率的特性,可以与半导体材料表面发生瞬态光化学反应,从而对材料进行有效的掺杂,且可以实现超过材料固溶度极限的过饱和掺杂,同时能在材料表面形成准周期的微纳结构。导致半导体表面性质发生改变,产生超宽光谱高吸收的特性,从而突破传统物理限制,并由此产生了一系列全新的应用。本文总结了飞秒激光与硅相互作用的基本理论和几种物理模型,介绍了其在相关领域的应用,并对飞秒激光过饱和掺杂及改性硅的发展前景作出展望。

     

飞秒激光直写加工SERS基底及其应用

表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)是一种高灵敏度、高分辨率的分子识别技术,在多个领域具有非常重要的应用价值。飞秒激光直写作为一种新兴的低成本、高分辨率、高灵活性的微纳加工方法,在制备SERS基底领域得到了广泛的应用。本文重点概述了四种飞秒激光直写制备SERS基底的加工方法,主要包括飞秒激光双光子还原、飞秒激光切割金属、飞秒激光切割-溅射、飞秒激光3D打印。文章简单介绍了各方法制备SERS基底的性能与应用场景,阐述了飞秒激光直写加工在制备SERS基底中的优势,旨在为今后相关研究提供参考。     

飞秒激光加工微纳光学器件

光学器件正在向着小型化、集成化以及柔性可变形等方向发展,基于集成微纳光学器件的光学系统以其较低的功耗、快速的响应时间以及高信息容量等优势脱颖而出。然而目前的高精度微纳加工手段如聚焦离子束(focused ion beam,FIB)刻蚀、半导体光刻等工艺复杂,且缺乏灵活性。飞秒激光作为一种非接触、高精度、高脉冲强度的“冷”加工工具在微纳加工方面受到格外青睐。本文首先阐述了飞秒激光加工微纳光学器件的背景及相关机理,然后讨论了提高飞秒激光加工分辨率的各种方法,接着综述了基于飞秒激光的多种先进加工手段,其后总结了近年来飞秒激光加工微透镜、光栅、光波导以及光子晶体方面的代表性研究进展。最后,本文概括了飞秒激光加工微纳光学器件研究领域所面临的挑战以及未来发展方向。     

飞秒激光微精细加工技术与MEMS动态测试技术

本文阐述了飞秒激光微精细加工技术的原理特点，在微机械和微光学中的应用，及其在加工研究中取得的一些进展；提出一种基于计算机视觉、显微干涉及激光多普勒的MEMS的动态测试技术，实现MEMS器件平面运动幅度的快速测量、平面和离面运动的测量和离面运动的瞬态测量。     

飞秒激光三维微细加工技术

双光子吸收几率与光强度的平方成正比,因此,双光子吸收引发光致聚合局限在紧密聚焦的焦点区域,通过控制焦点的扫描运动可实现高精度三维加工。基于该原理,提出了一种利用飞秒激光进行微细加工的技术。根据此技术,建立了飞秒激光三维微细加工系统,该系统包括光源系统、显微镜系统、实时监测系统和精密移动系统等。研究发现,该系统加工的直线线宽最小可达500nm;加工线宽与加工速度成反比;激光功率为2mW时,最大和最小临界加工速度分别为80μm/s和1μm/s;制备出线宽1μm,宽度5μm的“CHINA”复杂结构,以及杆间距、层间距均为5μm的三维木堆型光子晶体结构。实验证实,该技术是一种非常灵活的微细加工技术。     

基于差频产生的中红外飞秒激光技术研究

针对国内中红外激光光源光谱范围小、脉冲宽度宽等问题,开展了基于差频（DFG）产生的中红外飞秒激光技术研究。差频产生的中红外飞秒激光具有光谱范围宽、脉宽窄等优势。研究了差频技术中选用不同的非线性晶体对产生的中红外激光的影响,在此基础上搭建了一套基于差频技术的、利用PPLN晶体产生的中红外激光的产生系统,利用光栅对压缩脉宽,实现飞秒激光输出。最终获得了波长范围在2.9～4.7μm的中红外飞秒激光,在中心波长3.2μm处获得了最高10.46 mW的输出光平均功率。研究结果为中红外激光光谱测量技术在大气监测、燃烧场组分探测等的应用提供了参考。     

激光刻花技术的应用现状和展望

激光刻花技术是可以改善机械零件表面摩擦性能的一项新技术，与传统刻花加工方法相比，有其自身的优势，本文综述了激光刻花技术的国内外应用现状及该技术的发展前景，并结合我国具体情况，为该技术今后的发展提出了建议。