激光冲击强化实验平台

        激光冲击强化技术,简称LSP(Laser Shock Peening),是国际近年发展起来的一种新型材料表面处理工艺,其主要作用原理是利用高功率密度短脉冲激光在材料内部形成高压冲击波,冲击波作用后的材料表面产生残余压应力并形成硬化层,阻碍表面裂纹生成,从而大幅度提高材料及结构的抗磨损性能、抗腐蚀性能及疲劳寿命。Fig.1显示的是激光冲击强化原理示意图。高能率激光照射到靶体表面贴敷的吸收层上,使吸收层等离子体化并迅速膨胀,由于受到表面约束层的限制,等离子体膨胀形成的高压作用于材料表面并以应力波的形式向材料内部传播。材料在高压作用下产生塑性变形,并在表层形成残余压应力,从而达到强化效果。对于典型金属结构件,应用冲击强化技术可以将结构的使用寿命提高5倍以上。


        激光冲击强化与高速喷丸、激光毛化及众多表面处理工艺相比,具有非常突出的优势。

1、表面强化效果突出。LSP处理过试件的疲劳寿命是喷丸处理过试件的3-8倍;

2、无需任何物理接触,部分结构无需拆卸,可实现结构在线修复;

3、表面处理速度快,定位精度极高,表面粗糙度可控;

4、柔性操作,入射角范围大,可处理结构件死角部位;

5、一次性技术及设备投入成本,维护成本低;

6、新型环保技术,能量消耗小,完全无附加产物,清洁无污染。


激光冲击强化实验室的装备包括:

        加载激光器----光谱物理Quanta-Ray短脉冲激光器。单次激光能量2.5 J,单次激光脉冲宽度10 ns,脉冲频率10 Hz,激光波长1064 nm(具备532 nm倍频模块),利用此激光器可实现针对屈服强度1GPa以下的金属材料的激光冲击强化,辅助以自动控制系统,可实现对平面及圆柱试件的整幅面冲击。加载激光器----中国科学技术大学联合研制高能超短脉冲激光器。单次激光能量可达到20 J,单次激光脉冲宽度20 ns,激光波长1064 nm,利用此激光器可实现针对屈服强度2.5GPa以下的金属材料的激光冲击强化,主要用于高速冲击过程的机理研究。


        自动控制系统----基于LABVIEW系统集成模块,实现激光器、三维作动器、水循环等系统的联动,能够开展包括材料性能测试、激光诱导水下爆炸、激光诱导飞片试验及激光冲击强化试验等多种功能。


        测量装备----激光多普勒测速系统(PDV)。该系统采用光纤技术,利用多普勒频移原理,能够精确获取激光诱导冲击波作用过程中,物体质点速度的瞬时改变。便携式一体化外形设计便于现场安装与调试。PDV具有极高的时间分辨率及空间精度。时间分辨率能达到0.2 ns,空间精度能达到0.5 mm,测量速度范围0~6000 m/s,可完整复现激光高压诱导材料内部形成的高压冲击波及其传播过程。 独立四通道采集可进行面内速度分布的测量,该测试系统的参数指标与NASA、Livermore等国家实验室装备参数处于同一水平。


       霄图科技联合中国科学院相关院所共同推进激光冲击强化在国内民用领域的应用进程。迄今为止,实验室拥有LSP技术相关发明专利12项,国际国内知名期刊论文数十篇,掌握了LSP处理工艺中的关键方法,解决了材料及结构性能评估中的核心技术,为LSP产业化应用奠定了坚实的基础。



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激光冲击强化原理图
       

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激光冲击强化在提高疲劳寿命方面的优势


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2.5J-10Hz光谱物理激光器


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10J-1Hz中国科学技术大学联合研制激光器


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激光冲击强化平台初始界面


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激光冲击强化平台操作界面

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PDV测试装置外观图

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PDV测速装置捕获的冲击波诱导质点速度


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PDV测速装置参数的国际对比图


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