激光技术在加工工业领域和军事领域的发展与应用

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1、激光技术在加工工业领域和军事领域的发展与应用DevelopmentandApplicationofLaserTechnologyinMachiningIndustryandMilitaryIndustry中航工业北京航空制造工程研究所李忠建崔丽随着激光技术的不断发展，激光技术在工业加工、航空航天、国防武器装备领域的地位日益提高，需要一方面积极地进行新型激光器研$115n激光应用的探索，另一方面加快激光器件的工程化进程，将科研成果迅速地转化到应用领域，研制出效率高、性能稳定、易于操作维护、平台适应性强的激光器件。1960年，美国休斯研究实验室的梅曼制成了世界上第一台激光器，经过

2、数十年的发展，出现了各种类型激光器，包括化学激光器、气体激光器、自由电子激光器、固体激光器、光纤激光器等，输出功率从最初的毫瓦量级发展到万瓦量级，在工业、科研、国防等领域获得了广泛的应用。在工业领域．激光制造已成为不可或缺的重要手段，已经获得应用的包括激光焊接、激光切割、激光打孑L、激光表面处理、激光合金化、激光熔覆、激光快速原型制造、金属零件激光直接成形等数十种激光技术，与传统的加工方法相比，具有高能密聚焦、易于操作、高柔性、高效率、高质量等突出优点。在国防领域，已普遍获得应用的技术包括激光测距、激光干扰、激光制导、激光致眩、激光干扰等．高能激光反导、激光打击等也展现出光明

3、的前景，由于激光武器具有反应迅速、抗电磁干扰能力强、作战使用费效比低、连续作战时间长等特点，正62航窄制造技术·2013年第21期成为国防装备的重要组成。工业应用1激光冲击强化技术激光冲击强化(Lasei·ShockPeening)是利用强激光束产生等离子冲击波，在金属部件的表面产生有益的残余压应力．提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀力。波长为l¨m、脉宽为十几ns的高能激光束通过加丁件表面的约束层，照射到加工件表面的吸收层时，吸收层吸收激光能量后发生爆炸性汽化蒸发，产生高温、高压等离子体，由于约束层的存在，等离子体膨胀受限，压力迅速升高，产生高压冲击波，作用于加工件表面并

4、向内部传播。由于这种冲击波压力高达数GPa(109Pa)，超过加T件的材料动态屈服强度，因此表层不产生应变硬化，产生屈服和塑性变形，塑性变形区域的残留应力很大，同时，微观组织发生很大的变化，从而显著提高了加工件的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀力⋯。1972年，美国巴特尔学院的B．P．Fairand等人首次利用高能脉冲激光对7075铝合金进行冲击强化，结果表明其屈服强度提高30％。自此．世界各国纷纷开展了有关激光冲击强化技术的研究。激光冲击强化的典型应用是航空发动机叶片的强化胆}。1994年12月，美国开始实施“航空发动机高循环疲劳科学和技术计划”，旨在帮助消除飞机涡轮发动机的高循环疲

5、劳，避免飞行故障，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室、通用电气公司、麦锡金属表面处理公司等公司机构联合深入开展了激光冲击强化技术的理论、工艺和设备的研究，激光冲击强化技术逐步走向实际应用。随着技术的不断进展，激光冲击强化推广应用到众多战斗机、大型客机的发动机的风扇／压气机叶片上"l。目前，激光冲击强化技术已经全面用于Trent系列航空发动机叶片的制造。2飞秒激光ijn-r技术飞秒激光加工技术也称为超快激光加工技术，其最大特点是激光脉冲宽度窄，一般为几十上百飞秒(10—5s)。飞秒激光加工技术的一个主要应用是微孑L加工，由于飞秒激光脉冲很短，远小于晶格热传导时间，其能量吸收严格限制在极

6、小范围内，因此，对加工部位的周边影响很小，具有高精度、重铸层小、无周边损伤等特点(见图1)。20世纪80年代，飞秒激光器在美国问世，飞秒激光技术得到了迅猛发展。随着飞秒激光钛宝石激光器的研究成功，飞秒激光器进入了加工领域。1996～1997年，德国汉诺威中心进行的一系列实验表明，飞秒激光脉冲下金属热扩散所起的作用明显降低，为精密微加工提供了有力手段[4-51G飞秒激光技术的应用之一是工件打孔，由于航空发动机涡轮叶片的工作温度超过10000C，因此，在叶片上加工大量直径数百um的微孑L进行冷却，以往利用电火花技术，改用高重复频率飞秒激光在叶片上进行微孑L加工，大幅提高了加工质量

7、和工作效率。激光熔覆技术、3D打印以及其他激光熔覆是先通过一个喷嘴将粉末材料或添加材料涂覆到基材表面，然后在激光束的扫描下，这些材料在基材表面发生烧结或熔化，形成涂层。激光熔覆技术可以追溯到20世纪70年代，进入80年代激光熔覆技术已经发展成为表面工程、摩擦学、应用激光等领域的前沿性课题；而到90年代后，相关科学研究与应用开发得到快速发展。与热喷涂等传统的涂层技术相比，激光熔覆技术提供了真正的冶金熔合优势，能产生更高质量的涂层，同时又能避免一些常见的缺陷，通过使用多个粉末储料器，能够将不同的粉末混合在一