[00129952]复杂结构件激光冲击形性协同控制关键技术及应用

复杂结构件的疲劳破坏和腐蚀失效是制约我国航空发动机、大型汽轮机、海工装备、煤炭机械等机械重大装备寿命和安全性的主要因素,是亟待解决的技术难题,激光冲击强化为解决此难题提供了新途径。美国将激光冲击强化列为第四代飞机/航空发动机制造的关键技术之一,但由于涉及先进的军事用途,激光冲击强化的具体工艺与技术细节从未公开报道过。复杂结构件的激光冲击强化存在大面积强化效果一致性差、薄壁精密零件形性协同控制难、应力和组织分布主动调控难、激光冲击强化系统稳定性不足的技术难题,其已成为工程应用的瓶颈。 经过十多年研究,解决了技术难题并成功应用于飞机结构件、航空发动机、煤矿机械等国家重大工程中。 主要发明点如下： 1、发明了航空复杂结构小孔群大面积方形光斑激光多层交错均匀冲击强化技术,发现了晶粒细化、纳米化规律和微观强化机制,建立强度-塑性匹配的表层梯度纳米结构的精确控制工艺。解决了飞机安全隐患,为新一代高性能战斗机结构件提供了延寿新技术。研究成果形成国家航空行业标准2项,并在我国XX飞机上得到应用,提高了飞机的安全性; 2、发明了薄壁变截面复杂空间结构精密表面激光冲击形性协同控制技术、隐蔽面激光冲击强化技术,建立复杂曲面曲率、厚度与残余应力场的关系模型和变形控制理论,解决了光束可达性差、表面粗糙度大、强化变形大的难题。激光冲击强化的XX系列整体叶盘通过了装机试验,在我国首次实现了整体叶盘等复杂型号产品的激光冲击强化,研究成果形成国家航空行业标准2项; 3、发明了金属零件激光熔覆修复和激光冲击波消除残余拉应力的组合工艺、激光熔覆/激光冲击逐层交错再制造技术、焊缝纳米腐蚀剂颗粒激光冲击复合强化技术,主动调控修复构件的应力和组织分布,显著提高金属焊接件综合力学性能和修复熔覆层的抗应力腐蚀性能,研究成果形成国家航空行业标准2项; 4、发明了五分透镜及其高阈值外光路系统与光束整形镜技术、稳定水膜涂敷技术、激光冲击波强化质量在线多参数监控技术,研制了三个系列的激光冲击强化装备及操作系统,实现了装备稳定可靠连续运行,建成了我国第一条整体叶盘激光冲击波强化生产线,解决了激光器热损伤和强化质量一致性差的难题。 经权威机构检测和用户使用表明,处理后某型钛合金航空发动机风扇整体叶盘叶片变形扭转角≤5.1’、叶片疲劳寿命提高5.6倍以上、叶片边缘粗糙度≤Ra0.4 μm,满足设计要求;疲劳寿命、变形量、粗糙度等核心技术指标优于国际先进水平。 授权发明专利23件,软件著作权3项,形成国家航空行业标准6项,出版专著3部。经同行专家鉴定：“在晶粒细化机制方面具有突破和创新,总体技术水平达到国际先进”。 中航集团公司沈阳发动机设计研究所评价：“研究成果使我国成为世界上第二个能激光冲击强化整体叶盘的单位,方形光斑连续小搭接率激光冲击强化技术,具有原创性”。 成都飞机设计研究所评价：“为新一代高性能、长寿命战斗机结构件提供了新的延寿技术”。 项目成果在我国航空、燃气轮机、海工装备、煤矿机械、核电等行业获得了应用,产生了经济效应1.9亿元,形成了巨大的军事效益和社会效应,满足了国家重大工程需要,显著推动了行业科技进步,提升了国家核心竞争力。