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激光喷丸

激光喷丸

激光喷丸(有时也称为激光冲击喷丸)在零件中产生深层塑性应变,在表面下1至10毫米处形成高幅度残余压应力。这增强了关键金属零件的疲劳强度、耐久性、损伤容限和抗应力腐蚀开裂性能。
激光喷丸可以成形和矫正塑形零件,特别是当零件过厚而不适合喷丸处理时。科蒂斯-赖特公司基于有限元物理的激光喷丸模型实现了快速虚拟喷丸,从而快速优化和评估预期性能。
激光喷丸是受控喷丸的替代方案,在需要深层渗透(高达½英寸(12毫米))和少量冷加工的情况下具有优势。应用评估可确定应使用其中一种或两种方法。
激光喷丸对工业产生了重要影响,提供了可靠且经过生产验证的技术。它为设计师提供了在零件关键区域精确工程化残余压应力的能力。这延缓了裂纹萌生和扩展,从而提高疲劳强度和零件寿命。

激光冲击喷丸 – 工艺视频

激光冲击喷丸工艺 – 分步说明

  1. 在表面流过一层薄水流,作为惯性约束层。
  2. 来自钕玻璃激光器的输出光束(约20焦耳,20纳秒,即峰值功率10亿瓦)投射到工件上,穿过水层
  3. 激光脉冲的前沿时间边缘在金属表面或烧蚀层内发生反应,快速电离和汽化表面材料,形成并加热等离子体。
  4. 加热等离子体的压力升至约100千巴(每平方英寸150万磅),水起到惯性约束体积的作用。这种快速压力上升被高度控制在金属动态屈服应力的一到两倍,在渗透过程中使材料产生塑性应变
  5. 水被从表面加速推离,但只有在冲击波传播进入金属之后。
  6. 喷丸区域对这种深层塑性应变的机械响应(0.020英寸至0.500英寸(1毫米至12毫米深度))产生深层残余压应力,其特性取决于材料、刚度和工艺参数。产生的深层压应力创建了损伤容限层和裂纹萌生与扩展的屏障。这提高了疲劳寿命并提供抗应力腐蚀开裂和微动疲劳的能力。

注意:激光器在预定义表面图案上的多次发射将产生塑性应变层,形成确定性的深层压缩残余应力层。该工艺可根据产品和潜在失效机理进行定制,或通过重量敏感设计实现更高的潜在载荷。

激光冲击喷丸的优势

  • 更深的残余压应力能够更好地抵抗:
    • 低周期、高应力情况(LCF)
    • 恶化表面环境中的高周期、低应力情况(HCF)
    • 高温应用中压应力的损失
  • 防止以下原因导致的失效:
    • 侵蚀、外物损伤(FOD)、微动、点蚀、应力腐蚀开裂(SCC)、电偶腐蚀和空化侵蚀。
  • 清洁的表面状态适用于无法容忍污染和/或介质污渍的应用。
  • 表面光洁度和形貌易于维持和控制。
  • 激光喷丸具有出色的过程和质量控制。由于激光能量和脉冲持续时间等关键工艺参数对每个冲击点都进行了测量和记录。它还能够在厚零件截面中产生大曲率,实现先进的成形和形状矫正应用。

激光喷丸成功案例

激光冲击喷丸专利

科蒂斯-赖特表面技术公司拥有以下激光喷丸专利:

  • 美国专利6670578,用于激光喷丸成形过程中零件的预加载
  • 美国专利6410884,用于通过激光喷丸进行金属轮廓成形

AI 6061-T6铝合金的激光喷丸

上图显示了异常深的残余压缩层的一个优势。S-N曲线显示了6061-T6铝合金的疲劳试验结果。测试包括未喷丸、喷丸和激光喷丸试样,清楚地显示了激光工艺在寿命和疲劳方面的优势。

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激光喷丸vs喷丸

激光冲击喷丸的应用

激光喷丸用于:

  • 提高疲劳强度
  • 防止应力腐蚀开裂
  • 延长关键系统零件的使用寿命
  • 在极高温度下运行零件的疲劳增强以及
  • 提高增材制造零件的疲劳寿命

使用激光冲击喷丸的行业

运输

  • 涡轮发动机叶片和盘
  • 飞机结构
  • 起落架
  • 控制零件
  • 船舶结构和推进系统

能源和电力发电

汽车

医疗植入物

海洋船舶

休闲运动

国防

  • 钩柄
  • 飞机结构

零件的激光冲击喷丸有限元分析建模

有限元分析(FEA)建模能力准确模拟客户零件对激光喷丸的响应。可以对工艺变量进行多次迭代,具有以下优势:

  • 预测 节点应力和应变分布
  • 实现 疲劳强度和寿命提升的准确预测
  • 评估 工艺效益
  • 减少 测试成本
  • 加速 部署进度

激光冲击喷丸成形

激光冲击喷丸成形通过产生更大的诱发应变深度来增强喷丸成形,从而允许成形更厚的材料截面并扩大可能的曲率范围。它有助于推进机加工桁条和肋骨在整体加强板中的使用,减少了对紧固件的需求。该技术在747-8上成功使用。所有这些都使飞机更轻,具有更高燃油效率的外形。

激光冲击喷丸成形

激光冲击喷丸 – 现场系统

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多个移动激光喷丸系统已在多个大洲的客户现场部署,提供最具成本效益和及时的部署服务 –了解更多 >>

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激光喷丸与热微结构工程

传统喷丸适用于低温应用,然而,在较高温度下,表面处理会因位错湮灭、应力松弛和晶粒粗化而性能下降。为了克服这一挑战,科蒂斯-赖特公司(CW)开发了一项新颖技术,称为激光喷丸加热微结构工程(LP+TME),可在传统材料和增材制造(AM)材料中产生热稳定的微结构改性。

我们持续与行业领导者和研究人员合作推进我们的技术,最近与阿拉巴马大学和密歇根州立大学(MSU)合作发表了论文 – 了解更多 >>

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