简介

从20世纪60年代对激光/表面相互作用的最初科学观察到其在航空航天和核电行业中的应用，激光冲击强化(LSP)作为一种制造工艺已得到迅速发展。
我们现在公认的激光强化技术的第一篇科学出版物发表于20世纪70年代1，并拥有相关专利2。
高价值工程完整性问题推动了激光冲击的工业应用。在美国，B-1B发动机风扇叶片的异物损坏 (FOD)减轻表明，LSP不仅具有恢复损坏叶片的疲劳寿命的潜力，而且即使在损坏发生后也能延长寿命。在日本，运行中的核电站压力容器中的焊缝应力腐蚀问题带来了LSP的另一种技术解决方案：系统可以在维护停机期间在反应堆容器内部远程操作，并且无需使用牺牲层，因为进入待强化区域不实际。
LSP已经成为航空发动机风扇叶片的标准处理方法，尤其是处理叶片根部的方法，在该方法中，将叶片根部插入圆盘中，然后经受微动疲劳。其也已被用于高要求的维修应用中，例如需要修复以达到疲劳设计寿命的目标的F-22战斗机的钛制翼耳。

激光冲击的发展

在过去的十年中，人们越来越关注将激光冲击用于更广泛的应用中，包括海事结构、核废料容器和民航结构应用。这导致了将强化技术应用于不同的几何形状和不同的制造环境的技术挑战，以及所派生出的用于特定几何形状的特定材料的“最佳”强化参数的科学挑战。
技术挑战包括在现代制造环境中难以以灵活，模块化的方式应用LSP，例如，可能需要在部分组装的机身的受限空间内使用。当前，所使用的激光系统远非便携式，并且由于光纤材料在所使用的功率密度下会被击穿，因此不可能使用光纤来传送激光。在某些制造环境中，由于难以在处理之后蓄水和排水，因此在该工艺中使用的水隔离层是一个问题。
因此，从技术上讲，LSP研究在激光方面的大部分努力都在朝着更紧凑的激光系统、更轻松的光束传输和取代用水作为隔离层的方案而努力。在应用方面，研究的重点是将LSP应用于特定问题的最佳方式，对以前未进行强化的材料进行强化，以及在面临挑战的几何截面中进行强化：例如，其具有弹性约束有限的薄截面；要求在难以确定结果的边缘或不连续处进行强化；或适用于新型材料，包括陶瓷、聚合物以及延展性有限的金属系统。

考文垂的研究

在考文垂大学，近年来的研究一直致力于增进对激光冲击强化及其在航空航天应用中的影响的认识。这项工作包括确定激光冲击强化后的残余应力，以及激光冲击强化对航空航天铝合金疲劳寿命的影响，特别是在与机身和机翼蒙皮部件相关的截面厚度方面。
已经进行了综合实验来分析残余应力。在考文垂大学，我们使用X射线衍射，使用英国Stresscraft Ltd公司的设备进行的渐进式钻孔以及轮廓法。
我们还使用国际中子和同步加速器X射线设备，这些设备在以无损方式确定工程部件内部深处(多达几毫米深)的残余应变方面，比基于实验室的技术具有显着优势。例如，图1显示了使用中子透射应变成像对由薄(2mm厚)铝板进行激光冲击产生的应变场进行的测量。
图2显示了航空航天铝材中强化区域中的横截面的残余应变轮廓通过高能同步加速器X射线辐射产生的图。在这种情况下，铝板的表面上有一层纯铝覆盖层：该层厚度约为100µm，通过辊轧结合到较高强度的合金上，以提供耐腐蚀性。
使用不同的实验技术验证残余应力分析对于支持开发程序非常重要，在该程序中，结果将用于选择工艺参数，并确保已生成适当的残余应力幅度和轮廓，从而提供所需程度的寿命改善。图3给出了使用增量钻孔、X射线衍射和层去除相结合来获得深度轮廓的表面附近强化应力的交叉验证示例。结果非常吻合，为数据的准确性带来了较高的可信度。
总而言之，在将激光冲击技术应用到新材料系统中以及发展技术以使其在制造业中能更灵活地应用方面，仍有许多研究要做。残余应力将仍然是激光冲击应用的关键标准之一。确定残余应力的方法有很多种，包括破坏性和非破坏性方法；其中一些可以在实验室中应用，而另一些则需要使用专业的大型设施。它们都不是所有材料和所有几何形状的理想选择，因此通常需要使用多种方法进行验证以确保数据准确，特别是在开发针对对于安全性有重要影响的部件的处理方法时。

致谢

考文垂大学的研究团队在Fitzpatrick教授的带领下为这项工作做出了贡献，他们包括Niall Smyth博士、Marco Pavan博士、Stefano Coratella博士和Mitchell Leering先生。研究经费由美国空军研究实验室通过欧洲研究与发展办公室提供；英国空中客车公司和空中客车公司也提供了资金。Fitzpatrick教授谨感谢Domenico Furfari博士、Kristina Langer博士、José Ocaña教授、Claudia Polese教授和Burak Toparli博士对这项研究的支持。

Coventry University, Priory St
Coventry CV1 5FB, UK
邮箱：michael.fitzpatrick@coventry.ac.uk