激光噴丸工藝是一種創(chuàng)新的金屬表面硬化技術(shù)，與常規(guī)噴丸類似，激光噴丸工藝也是通過(guò)在金屬表面引入殘余壓應(yīng)力而增強(qiáng)金屬零件的抗疲勞性能。

< 1 > 激光噴丸簡(jiǎn)介
概括性地講，激光噴丸工藝是利用高能脈沖激光在零件表面產(chǎn)生沖擊波，沖擊波作用于金屬表面產(chǎn)生的機(jī)械“冷作”作用使表面金屬材料達(dá)到壓縮和塑性變形的效果；表面金屬材料塑性變形的結(jié)果是在零件表面造成殘余壓應(yīng)力，而殘余壓應(yīng)力增強(qiáng)了零件材料對(duì)表面相關(guān)破壞（如疲勞、腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕裂紋）的抵抗能力。激光噴丸還被稱為激光表面硬化或激光沖擊處理。

激光噴丸工藝最早的工業(yè)應(yīng)用是在美國(guó)空軍B-1B轟炸機(jī)F101發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片上，確定了激光噴丸是增加鈦合金風(fēng)扇葉片耐用性和增強(qiáng)其抗外物損壞性能的最好的解決方案。激光噴丸工藝隨后還被應(yīng)用于同樣受到外物吸入損害引起的疲勞失效問(wèn)題困擾的F16戰(zhàn)斗機(jī)的F110渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片上。

2003年，美國(guó)開始在最新型的F/A-22戰(zhàn)斗機(jī)所用的普惠（P&WA)F119發(fā)動(dòng)機(jī)的整體葉盤應(yīng)用激光噴丸工藝，增強(qiáng)了F119發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪的高循環(huán)疲勞強(qiáng)度和抗破壞裕度。說(shuō)明激光噴丸工藝已步入了相對(duì)成熟和應(yīng)用推廣階段。

“九五”期間，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位進(jìn)行了TC4、GH30、1Cr18Ni9Ti、2024、1420等材料的激光噴丸工藝試驗(yàn)，在鋁合金、不銹鋼等材料上取得了很好的試驗(yàn)效果。激光噴丸強(qiáng)化TC4轉(zhuǎn)子葉片的試驗(yàn)，采用雙光束雙面沖擊強(qiáng)化技術(shù)，單次沖擊處理后獲得明顯的沖擊坑，坑凹陷約為10mm，沖擊區(qū)的殘余壓應(yīng)力為（-300?-400)MPa以上，表面無(wú)變形和層裂等缺陷。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有望在強(qiáng)化鈦合金葉片和鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)等方面取得突破，但需要高頻率、強(qiáng)脈沖激光設(shè)備和激光噴丸沖擊處理工藝的支持。

< 2 > 激光噴丸工藝原理
激光噴丸設(shè)備利用高能脈沖激光把高振幅沖擊波導(dǎo)入金屬表面。沖擊波產(chǎn)生的機(jī)械“冷作”作用達(dá)到材料被壓縮的效果。由于激光束對(duì)零件表面不產(chǎn)生加熱效應(yīng)，因此在整個(gè)過(guò)程中金屬零件的表面是不會(huì)被加熱的。事實(shí)上，在激光噴丸過(guò)程中零件是處在“微鍛”狀態(tài)，高能脈沖激光是一點(diǎn)接一點(diǎn)地作用在臨界區(qū)域上的。

在進(jìn)行激光噴丸工藝處理前，要在需處理的表面上敷設(shè)上一層不透明的涂敷層（典型的如黑漆或膠帶）和一層約束層（典型的如流動(dòng)的水）。激光脈沖通過(guò)約束層并作用在不透明的涂敷層上，使其部分蒸發(fā)。蒸汽吸收剩余的激光并產(chǎn)生急劇膨脹的等離子流。膨脹的等離子流被限定在零件表面和約束層之間，并產(chǎn)生一個(gè)急速增大的高壓沖擊波傳入金屬內(nèi)。當(dāng)沖擊波的波峰強(qiáng)度高于金屬的沖擊屈服強(qiáng)度時(shí)，金屬產(chǎn)生屈服，金屬的表面被“冷作”或發(fā)生塑性變形。

由沖擊波產(chǎn)生的塑性變形的結(jié)果是在零件表面造成殘余壓應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力的深度和數(shù)值取決于材料和工藝參數(shù)。殘余壓應(yīng)力的典型深度是表面下0.040in?0.100in(1.0mm?2.5mm)并能將零件的表面處理到接近材料的屈服強(qiáng)度。這一深度的殘余壓應(yīng)力增強(qiáng)了材料對(duì)表面相關(guān)破壞，如疲勞、腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕裂紋的抵抗能力。

< 3 > 同傳統(tǒng)噴丸工藝相比的優(yōu)勢(shì)
與常規(guī)噴丸類似，激光噴丸工藝也是在零件的表面產(chǎn)生有益的殘余壓應(yīng)力，導(dǎo)致金屬抗疲勞性的增強(qiáng)和破壞裕度的提高。但兩者金屬表面殘余壓應(yīng)力的引入方法完全不同，所產(chǎn)生的最終零件的抗疲勞性能也不相同。

激光噴丸工藝產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力會(huì)比用常規(guī)噴丸方法所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力深5倍或10倍。相應(yīng)地，對(duì)金屬抗疲勞性的提升也遠(yuǎn)高于常規(guī)噴丸所能達(dá)到的水平。
對(duì)于傳統(tǒng)的大區(qū)域表面硬化工藝方法（如：常規(guī)噴丸等）所不能有效提高抗疲勞性的一些零部件的特殊區(qū)域，激光噴丸可以做到并有效提高其抗疲勞性。由于不需要能量傳遞介質(zhì)一丸粒，激光噴丸工藝與環(huán)境更具親合性、更環(huán)保。因在激光噴丸過(guò)程中不產(chǎn)生粉塵等有害人體健康的微粒，對(duì)操作者的危害極小，與常規(guī)噴丸方法相比可大大改善操作者的工作環(huán)境。

< 4 > 應(yīng)用領(lǐng)域
深度殘余壓應(yīng)力，抑制裂紋的發(fā)生和蔓延，提高疲勞壽命，抵抗應(yīng)力腐蝕裂紋 減產(chǎn)維修費(fèi)用，增強(qiáng)性能