Laserschockhalle: Innovation der Oberflächenverstärkungstechnologie vom Labor zum Industriestandort
Die Laser -Schock -Peening -Technologie, ein innovativer Prozess, der als "materielle Revolution der Oberflächenverstärkung" bezeichnet wird, stillt leise die hohe - End -Manufacturing Landscape. Aus dem ersten Einblick in die Veränderung der Mikrostruktur der Aluminiumlegierung im amerikanischen Labor zur industriellen Praxis der Boeing 777 Blade Processing; Von der Geburt der ersten kontinuierlichen Impulsproduktionslinie in China bis zum Durchbruch des integralen Scheibenscheibenverstärkungssystems verwendet es den momentanen Ausbruch von hohem - -Poltage -Plasma, um eine Anti -{4}} -Thexte "Schutzschild" auf der Metalloberfläche zu schnitzen.
Wenn der Nanosekunden -Laserstrahl mit dem Metall kollidiert, ist die Verdampfung und Verdunstung der Energieabsorptionsschicht wie eine Mikroexplosion, wodurch ein Ultra - Hochdruckschockwellen führt und ein dichtes Netzwerk von verbleibenden Druckstress innerhalb des Materials webt. Die Auswahl der Einschränkungsschicht ist wie die Anpassung - Die endgültige Wirkung von Glas und die industrielle Anpassung des Wasserflusses, die Flexibilität der schwarzen Farbe, aber schwer zu entfernen, und die Bequemlichkeit der Aluminiumfolie wird zur ersten Wahl. Auf dem Gebiet der numerischen Simulation führen die Verflechtung expliziter und impliziter Algorithmen und die Innovation des intrinsischen Dehnungsmodells von der Prozessoptimierung von "Versuch und Irrtum" zur "präzisen Berechnung" durch.
Dies ist nicht nur die Entwicklung einer Technologie, sondern auch eine Erklärung der Fertigungsindustrie, um "die Grenze herauszufordern": Wie kann das "Herz" eines Flugzeugmotors Zehntausende von Auswirkungen standhalten? Wie kann eine Kernreaktorschweißung Jahrzehnten des Drucks standhalten? Können biologische Implantate ein Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Verschlechterung finden? Das Laserschock -Glühen nutzt die Kraft von Photonen, um Antworten auf diese schwierigen Probleme zu schreiben.
Die Laser -Schock -Peening -Technologie, auch als Laser -Shot Pening bekannt, ist eine neue, effektive und sich schnell entwickelnde Oberflächenmodifikationstechnologie. Im Vergleich zur herkömmlichen mechanischen Schuss -Peening -Technologie kann es eine tiefere verbleibende Druckspannungsschicht auf der Oberfläche des Werkstücks bilden und eine starke Kontrollierbarkeit und eine gute Anpassungsfähigkeit aufweist und schwierig verarbeiten - bis - Handle Teile. Gegenwärtig wurde diese Technologie in der Müdigkeit - resistente Herstellung wie Flugzeugmotorblätter, Zahnräder und Kernkraftwerksdruckschweißungen häufig eingesetzt. Mit dem weiteren Rückgang des Preises für Lasergeräte wird die Laserschock -Peening -Technologie weiter verwendet.
Die Laser -Schock -Peening -Technologie wird im Ingenieurwesen häufig eingesetzt.
1972 verwendeten die Vereinigten Staaten hoch - Power -Laser - induzierte Schockwellen, um hoch - Stärke Aluminiumlegierungen zum ersten Mal zu behandeln, und stellte fest, dass sich die Oberflächenmikrostruktur veränderte und die Zugfestigkeit von mehr als 30%erhöht wurde, die die Schockerforschung der Laseer -Schocker -Forschungen eröffneten. In den späten 1980er Jahren haben Länder und Regionen wie Europa, Japan und Israel Forschungsarbeiten zur Laserschock -Peening -Technologie durchgeführt.
Im Jahr 1995 wurde das weltweit erste Unternehmen für Laser -Schockverarbeitungstechnologie in den USA gegründet. Im Jahr 1997 verwendeten General Motors die Laserschockverarbeitungstechnologie, um Flugzeugmotor -Lüfterblätter zu verarbeiten und ihre Toleranz gegenüber Fremdobjektschäden erheblich zu verbessern. Im Jahr 2001 führte das American Laser Shock Processing Technology Company das Laserschock an mehr als 800 Motoren von Rollen - Royce durch. Im Jahr 2004 arbeitete das Unternehmen mit dem US Air Force Laboratory zusammen, um Laser -Schuss -Reparaturforschung an beschädigten Motor -Titanlegierblättern auf der F/A -} 22 durchzuführen, und seine Ermüdungsfestigkeit wurde verdoppelt. Im selben Jahr haben die Vereinigten Staaten die Spezifikation der Laserschockverarbeitung offiziell veröffentlichen, und die Technologie wurde auf die Schaufelverarbeitung von Boeing 777 angewendet. Im Jahr 2012 entwickelten die Vereinigten Staaten erfolgreich eine mobile Laserschockverarbeitungsgeräte, die in den Industriestandort zur Bereitstellung von Echtzeitdiensten eintreten kann. Im Jahr 2002 verwendete die Toshiba Corporation of Japan kleine Laser, um Schweißnähte wie Kernreaktordruckbehälter und Rohrverbindungen zu verarbeiten, um die Ermüdungslebensdauer von Teilen zu verbessern.
Ausländische Wissenschaftler haben auch die Laserschockverarbeitungstechnologie verwendet, um biomedizinische Metalle und Legierungen zu stärken, die Härte, die Ertragsfestigkeit und die Lebensdauer von dauerhaften Implantaten zu verbessern und die Abbaurate abbaubarer Implantate wie Calcium - Magnesiumlegierungen zu verringern.
In den neunziger Jahren begann die Inlandsforschung zur Laserschockverarbeitungstechnologie und konzentrierte sich hauptsächlich auf eine Reihe von experimentellen Studien und verwandten theoretischen Diskussionen über Aluminiumlegierungen und Stähle. Seit 1992 arbeitet die Nanjing University of Aeronautics and Astronautics mit der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas zusammen, um die Erforschung der Laserschockverstärkung und zur Herstellung von Luftfahrtstrukturteilen durch die Ermüdungsresistenz durchzuführen. Im Jahr 1995 wurde das erste Gerät für Laserschockverstärkung für ein Laserschock -Experiment in China an der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas erfolgreich entwickelt. Im Jahr 2008 entwickelte die Air Force Engineering University in Verbindung mit Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. und Peking Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd. erfolgreich die Produktionslinie für die kontinuierliche Pulse -Laser -Schock -Stärkung der Produktionslinie meines Landes. Im Jahr 2011 wurde am Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, erfolgreich der erste Satz von Integral Blade Laser Schock Stärkungssystem entwickelt und zur Verwendung an Shenyang Liming Engine Co., Ltd. geliefert.
Mechanismus und Einflussfaktoren des Laserschocks
When a laser beam with a power density greater than 10⁹W/cm² and a pulse width of nanoseconds irradiates the metal surface, the energy absorption layer absorbs the laser energy and undergoes explosive vaporization and evaporation, generating a high-temperature (>10⁷K) and high-pressure (>1GPA) Plasmaschicht. Das Laserschock -Anspening verwendet die starke Stoßwellen, die sich in das Material ausbreitet, das durch die Aufprallbelastung durch die hohe - -Plasmakal -Schicht auf dem Ziel verursacht wird.
Die derzeit verwendeten eingeschränkten Schichtmaterialien umfassen hauptsächlich K9 -Schicht für optisches Glas, organisches Glas und Wasserstrom. Die mit Glasmaterial eingeschränkte Schicht hat den besten Effekt, hat jedoch eine schlechte Anpassungsfähigkeit und wird brechen, was nur für die Behandlung von Laserschock geeignet ist. Im Allgemeinen wird die Wasserflussschicht als eingeschränkte Schicht in Laserschocktests und industriellen Anwendungen verwendet. Es hat die Vorteile einer starken Anwendbarkeit, kostengünstigen Kosten, einfacher Betrieb und nicht erforderlich. Mit Ausnahme einer kleinen Anzahl von Laserschockbehandlungsprozessen, die keine Energieabsorptionsschichten verwenden, erfordern die meisten von ihnen Energieabsorptionsschichten. Häufig verwendete Energieabsorptionsschichten sind hauptsächlich Materialien mit niedriger Verdampfungswärme wie schwarzer Farbe, Aluminiumfolie und schwarzem Klebeband. Schwarze Farbe hat eine gute Anwendbarkeit und kann für die Behandlung von Rillen, kleinen Löchern usw. Laserschock -Glühen verwendet werden. Nach Abschluss des Schocks ist es jedoch nicht einfach zu entfernen, sodass Aluminiumfolie und schwarzes Klebeband im Allgemeinen als Energieabsorptionsschichten verwendet werden.
Es gibt viele Faktoren, die die Auswirkung des Laserschockgerensens, hauptsächlich Materialeigenschaften, Einschränkungsschicht, Energieabsorptionsschicht, Laserschockparameter usw. beeinflussen. Wenn die Laserleistung dichte unverändert bleibt, desto länger handelt es sich um die Laser -Pulse -Breite, desto länger handelt es sich um die Laser -Schock -Behandlungseffekt. Wenn die Laserimpulsbreite jedoch zu groß ist, ist es sehr einfach, Oberflächenverbrennungen des zu betroffenen Materials zu verursachen. Nur durch die Auswahl einer angemessenen Einschränkungschicht, Energieabsorptionsschicht und Laserschockparameter gemäß den Materialeigenschaften können ein besserer Stärkungseffekt erzielt werden.
Die numerische Simulation der numerischen Simulation des Laserschocks trägt dazu bei, die optimalen Prozessparameter für bestimmte Anwendungen zu erhalten, und ist nach und nach zu einem wichtigen Mittel zur Untersuchung des Laserschocks geworden. Inländische und ausländische Wissenschaftler haben viele Nachforschungen über die Modellierung und Optimierung des Laserschocks durchgeführt. Gegenwärtig hat die Branche große Fortschritte bei der expliziten dynamischen Analyse + implizite statische Analyse -Laserschock -Peening -Methode und der numerischen Simulationsmethode des Laserschocks an der Basis eines intrinsischen Stammes erzielt.
Wenn die hohe - -Plasmaschicht das Zielmaterial beeinflusst, wird das Material in der Aufprallfläche eine plastische Verformung von hoher Dehnungsrate erfasst, und die strukturelle Reaktion ändert sich sehr schnell, was ein hoch nichtlineares hoches Problem ist. Wenn der implizite Finite -Elemente -Algorithmus verwendet wird, um diese Art von Problem zu lösen, erfordert er nicht nur eine große Menge an Berechnung und Speicherung, sondern hat auch Schwierigkeiten bei der Berechnung der Konvergenz. Es ist notwendig, eine explizite Methode für Finite -Elemente -Analysen zu verwenden, um die durch Plasmawirkung erzeugte Spannungswelle zu lösen. Insbesondere die umfassende Verwendung expliziter und implizites Finite -Elemente -Analysemethoden zur Durchführung einer numerischen Simulation des dynamischen Reaktionsprozesses des Materials unter der Wirkung der Schockwelle ist der Erzielung der Ergebnisse der genauen Vorhersage von Restspannungsfeldvorhersagen.
Wenn die einzelne - -Punkt -Laser -Schock -Residen -Spannungsberechnung und Überlagerungsmethode verwendet werden, um den Multi - -Punktüberlappungsschock in einem großen Bereich zu simulieren, ist die Gesamtberechnung häufig groß und es ist viel Zeit, um das verbleibende Stressfeld des Exemples zu erhalten. Darüber hinaus ist es aufgrund des großen Einflusses der Werkstückgeometrie auf das Restspannungsfeld schwierig, das Restspannungsfeld von Multi - -Punktüberlappungslaserschockhärtung von realen Komponenten mit komplex gebogenen Oberflächen mithilfe der Spannungsüberlagerungsmethode genau zu simulieren.
Um diese beiden Probleme effektiv zu lösen, haben einige Forscher ein numerisches Modell etabliert, das auf intrinsischen Stamm basiert, um das Restspannungsfeld der Laserschockhärtung zu simulieren. Dieses Modell geht davon aus, dass der durch Laserschock auf der Oberfläche der Komponente gebildete intrinsische Stamm unempfindlich gegenüber der Komponentengeometrie ist. Der Simulationsprozess konzentriert sich nur auf die durch Laserschock induzierte plastische Dehnung. Das Dehnungsfeld von großem - Fläche multi - Punktlaserschock der Komponente wird durch Überlagerung des intrinsischen Dehnes erhalten, und ein thermoelastisches Modell wird verwendet, um das endgültige Restspannungsfeld und die plastische Verformung zu erhalten.
In den letzten Jahren haben relevante Wissenschaftler im In- und Ausland dieses Modell für die numerische Simulation von Restspannungsfeldern der Laserschockverstärkung verschiedener komplexer Komponenten verwendet. Die Recheneffizienz dieses intrinsischen Dehnungsmodells ist im Vergleich zum traditionellen Modell erheblich verbessert, und das etablierte Modell kann das durch Laserschock induzierte Restspannungsfeld effektiv vorhersagen.
