航空航天的激光喷丸成型

　　钛合金因重量轻、强度高而被用于航空航天制造，但这些材料特性在加工时却遇到了问题。之前，德国亥姆霍兹泽特姆赫伦材料力学研究所的研究人员花了两年时间，试图通过激光喷丸成型来克服。他们的研究成果发表在《材料加工技术杂志》上，并与合作伙伴FormtechGmbH、Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung（ZAL）GmbH 和吕讷堡卢芬纳大学产品与工艺创新研究所继续合作。

　　目前来看，激光喷丸成型可能有利于某些飞机部件的生产制造，这些部件的特点是必须以曲面成型，例如机翼前部、机尾部分和机身结构。

　　材料力学研究所激光材料加工与结构评估系博士生Siva Teja Sala 说：“当前许多服役飞机上的这些零件都是由轻质高强度合金Ti-6Al4V 制成。然而，这种合金的挑战在于它不太容易使用。如果尝试用传统的热冲压或增量板材成形，会出现‘回弹’现象——当成型部件从成型工艺的载荷和约束中释放时，部件就会出现肉眼可见的几何变化。因此，工程师们必须在设计时就考虑到回弹的存在，并适应零件变形后的公差，这是难以置信的挑战。”

　　由于材料会有回弹，业界在传统成形钛合金板时会经常遇到这种问题，而像航空航天行业又对公差要求极其严格，导致很多零件经常不得不报废。

　　Sala 说：“这对于大规模生产来说根本不理想。因此航空航天制造商目前正在寻找一种可行的、具有成本效益的修正过程，以控制这些公差。激光喷丸成型就是理想的选择。它非常灵活，只需要有限的固定装置或夹持系统（不需要巨大机械装置），所需要的只是一个脉冲激光器和一个能够处理零件的机器人。与传统工艺相比，这项技术对能耗的需求相当低。”

　　对此，萨拉和他的同事们开始在“PEENCOR ”项目的框架内研究激光喷丸成型。该项目旨在纠正在生产曲面的钛合金飞机零件时出现的不可避免的公差变形，回弹只是其中一个。另外，该项目还开发一种自动化的激光喷丸成型工艺，以测量这些复杂的公差变形，并按照规定进行修正以减少废品和零件报废，提高整体生产率。

　　据Sala 说，该项目成立的另一个原因是，以前探索激光喷丸成型的大多数现有技术文献都是在加工铝合金的背景下进行的，而铝合金成形要比钛合金成型简单得多。因此，由于只有少数资料实际研究了钛合金的激光喷丸成型，我们想对工艺参数及其对这种具有挑战性的材料曲面的影响进行全面评估。

　　受控的微型爆炸

　　研究人员的实验涉及到使用脉冲激光器照射钛合金部件样品的表面。该部件本身被保护性钢箔所覆盖，以产生一个等离子体，在表面引起微型爆炸。

　　“我们利用材料表面上的层状水流来对抗这种爆炸，这就造成了一种向下渗透到材料中的压力波，”Sala 解释说，“压力波是如此强烈，以至于它实际上可以使材料弯曲。通过调整激光器的参数，可以控制钛合金板材发生弯曲的程度。”

　　如果没有水层，该过程的效率将降低约50%，因为一半的能量将被引导离开钛合金表面。因此，如果未来这项技术扩大到工业生产的规模，那么在加工过程中就必须添加水。研究人员使用的激光系统是Quantel 精心设计的Nd:YAG 1064nm 激光器，能够产生频率为10Hz、持续时间为10-20ns 的5J 脉冲，光束均匀，横截面为1mm2。

　　Sala 继续说道：“这相当于高达25GW/cm2 的强度。之后，团队计划在这个系统中增加更多的功率——使用10J 脉冲而不是5J 脉冲——因为目前使用的钛材料不是最佳的。通过这项工作，我们发现激光功率密度是影响板材弯曲的最重要因素之一。如果只需要半毫米的变形，在适当的功率密度下通过激光喷丸成型就可以实现这一点，而且比传统方式更精确。”

　　当被问及这项技术是否会面临超快激光纹理应用所面临的类似产能的问题时，Sala 表示，目前，处理一个20mm2 的正方形需要大约1 分钟的时间，因此制作1m2肯定需要相当长的时间。有可能使用多个激光器或扫描技术引导的激光器，但需要做进一步的实验，因为与目前使用的设置相比，这将影响脉冲与表面的相互作用。

　　工业应用

　　据Sala 说，在航空航天行业开展这项工作时面临的特殊挑战是严格的零件公差要求，这要求任何零件上都不能存在任何表面缺陷。零件表面不能出现任何裂纹，因此，实现关键的过程控制是极其重要的，也是相当具有挑战性的。

　　这就是需要保护性钢箔的原因，因为有了它就可以实现非常好的表面光洁度，与钛合金表面的未处理区域无异。如果没有它，处理过的区域上会形成了1.5μm的氧化表面，其中含有不良的微裂纹，在疲劳载荷下会增加部件失效的风险。此外，激光喷丸处理后留在材料中的残余应力会沿着材料厚度渗透进入材料。与没有保护膜处理相比，材料的性能会更好。

　　虽然激光喷丸在工业规模上的应用仍处于早期阶段，但该应用已吸引了许多行业的兴趣，包括海事和航空航天部门。Sala 表示，在这些领域取得长足进展的商业公司之一是LSP Technologies，该公司一直在试验不同的应用，例如纠正齿轮轴变形、延长喷气发动机叶片的寿命，甚至在海军舰艇上处理铝板。此外，该公司还与空中客车等合作开发了一种便携式激光喷丸系统，用于对飞机较难到达的区域进行维护。

　　“空客和汉莎等大型航空企业正在试验这项技术，”但他补充道：“如果能取得一致、可靠的结果并能通过适当的权威机构证明，那么在真正大面积应用这项技术前，这些公司通常会保密。”

　　Sala 说，尽管激光喷丸成型在工业上显示出巨大的市场前景，但该工艺确实对其适用性提出了一些挑战，因为它需要针对每个使用情况进行定制。因此，传统的过程优化策略应该被先进的人工智能或机器学习方法所取代，以实现最大程度的自动化。他所在的团队正在做的这项工作有足够的定量数据来开发工艺规划算法，这些算法可以显著提高激光喷丸的自动化程度，这就是目前在“PEENCOR项目”范围内进行这项工作的原因。

　　总体而言，Sala 认为，尽管激光喷丸无法完全取代传统的成型技术，尤其是因为许多公司已经在传统成型设备上投资了数千万美元。但激光喷丸成型作为一种极其精确的矫正工艺应用有着巨大前景，同时也具有巨大的经济产业潜力。