前言

飛機和航空發動機結構大量採用金屬材料，金屬材料的主要失效形式『疲勞』和『腐蝕』均始於材料表面，所以金屬材料表面的結構和性能直接影響著材料的綜合性能。過去，人們採用噴丸、滾壓、內擠壓等多種表面強化工藝來改善金屬表面性能。但現在有一種更好的技術稱之為雷射衝擊強化。目前國內這項技術在 2008 年 11 月 28 日，由空軍工程大學、西安天瑞達光電技術發展有限公司和北京鐳寶激光技術有限公司共同研製的『激光衝擊強化成套設備及關鍵技術』通過了國家有關部門組織的技術成果鑒定，這項技術突破對解決我國飛機、發動機疲勞斷裂問題、提高其可靠性具有重大意義。

何謂雷射衝擊強化？

雷射衝擊強化（Laser Shocking Peening , LSP）技術，也稱雷射噴丸技術。是通過高功率密度（GW/cm量級）、短脈衝（10～30ns量級）的雷射通過透明約束層（流水或 K9 玻璃）作用於金屬表面所塗覆層（黑漆和鋁箔）的能量吸收塗層時，塗層吸收激光能量迅速氣化並幾乎同時形成大量稠密的高溫（＞10 K）、高壓（＞1GPa）等離子體。該等離子體繼續吸收激光能量急劇升溫膨脹，然後爆炸形成高強度衝擊波作用於金屬表面。當衝擊波的峰值壓力超過材料的動態屈服強度時，材料發生塑性變形並在表層產生平行於材料表面的拉應力。激光作用結束後，由於衝擊區域周圍材料的反作用，其力學效應表現為材料表面獲得較高的殘餘壓應力。殘餘壓應力會降低交變載荷中的拉應力水平，使平均應力水平下降，從而提高疲勞裂紋萌生壽命。同時殘餘壓應力的存在，可引起裂紋的閉合效應，從而有效降低疲勞裂紋擴展的驅動力，延長疲勞裂紋擴展壽命。

據美國GE公司和勞侖斯·利弗莫爾國家實驗室的研究表明，部分航空金屬部件處理後疲勞壽命可提高近 50 倍。在國內，由空軍工程大學和西安天瑞達光電技術發展有限公司合作進行的實驗研究表明，激光衝擊強化能使某型航空發動機葉片的疲勞強度提高 1.6倍，能使某高溫合金材料的疲勞壽命提高約 30 倍。

雷射衝擊強化技術和其它表面強化技術相比較，具有如下鮮明特點：

1. 高壓，衝擊波的壓力達到數 GPa，乃至 TPa 量級，這是常規的機械加工難以達到的，例如，機械沖壓的壓力常在幾十 MPa 至幾百 MPa 之間。
2. 高能，激光束單脈衝能量達到幾十焦耳，峰值功率達到 GW 量級，在 10～20ns 內將光能轉變成衝擊波機械能，實現了能量的高效利用。並且由於激光器的重複頻率只需幾 Hz 以下，整個激光衝擊系統的負荷僅僅 30KW 左右，是低能耗的加工方式。
3. 超高應變率，衝擊波作用時間僅僅幾十納秒，由於衝擊波作用時間短，應變率達到，這比機械沖壓高出 10000 倍，比爆炸成形高出 100 倍。

1972 年，美國巴特爾學院（Battelle Memorial Institute）的 Fairand B.P.等人首次用高功率脈衝雷射誘導的衝擊波來改變 7075 鋁合金的顯微結構組織以提高其機械性能，從此揭開了用雷射衝擊強化應用研究的序幕。在 2002 年以來，美國已將雷射衝擊強化大規模用於航空部件的製造和修理中，例如改善軍民用噴氣發動機葉片，例如波音777飛機的零部件，F/A-22 上 F119 發動機鈦合金損傷葉片，鉚接後的鉚釘及其周圍強化，以改善其疲勞壽命，不但提高了飛機發動機的安全可靠性，而且每月可節約飛機保養費幾百萬美元。從 2005 年開始美國又將雷射衝擊強化逐步擴大到大型汽輪機、水輪機葉片以及石油管道、汽車關鍵零部件等的處理。據報道僅石油管道焊縫的處理就能達到10億美元以上的收益。

國內從 90 年代開始雷射衝擊強化技術的研究，近年來針對重大的應用要求，空軍工程大學與西安天瑞達光電技術有限公司、江蘇大學、西安藍鷹電器設備公司和鐳寶光電公司等多家單位合作，對雷射衝擊強化技術的強化機理、關鍵技術、成套設備和在航空發動機上的應用工藝進行了大量研究，現已研製出適合強化高溫合金、鈦合金等高強度材料用的 HGN-1、HGN-2 型高能脈衝雷射器，以及脈衝能量為 25J，重複頻率達到 1Hz 的 YAG 雷射器及其強化生產成套設備，制定了航空部件衝擊強化工藝操作流程和質量檢查規範，並在西安藍鷹電器設備公司建立了雷射衝擊強化示範生產線，為該技術在航空工業上的應用上奠定了基礎。 2008 年，空軍工程大學和西安天瑞達光電技術公司將雷射器和運動平台進行了集成與控制，並指導陝西藍鷹電器有限公司在閻良建立了我國第一條雷射衝擊強化工程應用示範線。該示範線可以實現複雜曲面（如葉片）雙面雷射衝擊強化。該雷射衝擊強化生產線與美國基本相當，實現了系統的集成控制，對強化過程的關鍵參數進行實時監控，脈衝工作頻率1~2Hz；研製的Nd:YAG雷射器比美國同類雷射器性能指標更高，用於雷射衝擊強化，與美國釹玻璃（Nd:Glass）雷射器效果相當。國內外的研究均表明，雷射衝擊強化對各種鋁合金、鎳基合金、不銹鋼、鈦合金、鑄鐵以及粉末冶金等均有良好的強化效果，除了在航空工業具有極好的應用前景外，在汽車製造、醫療衛生、海洋運輸和核工業等都有潛在的應用價值。

結論

我在『螺旋槳飛機的臆想（續）』一文中提到飛機發動機中的渦輪葉片必須使用單晶體合金的問題，但是從本篇的資料來看，似乎雷射衝擊強化技術要比單晶體合金技術功效更大一些。至於實際狀況如何？由於我不是學材料出身的，所以對於這些工藝技術無從作有系統的分析比較，只能作一些簡單的介紹，感覺非常的遺憾！？但不管怎樣這兩項技術對於中國航空發動機的研發起了致關重要的影響。比如《航空航天技術週刊》就指出，將雷射衝擊強化技術用於改進『太行』發動機，將使中國國產戰機擁有一顆強健的『心臟』，同時對於中國自研大型運輸機和重型轟炸機項目具有積極推動作用。

附註

氣壓：

氣壓的國際單位制是帕斯卡（或簡稱帕，符號是Pa），泛指是氣體對某一點施加的流體靜力壓強，來源是大氣層中空氣的重力，即為單位面積上的大氣壓力。在一般氣象學中人們用千帕斯卡（KPa）、或使用百帕（hPa）作為單位。測量氣壓的儀器叫氣壓表。其它的常用單位分別是：巴（bar，1bar=100,000帕）和公分水銀柱 （或稱公分汞柱）。在海平面的平均氣壓約為 101.325 千帕斯卡（76公分水銀柱），這個值也被稱為標準大氣壓。另外，在化學計算中，氣壓的國際單位是"atm"。 一個標準大氣壓即是1atm。1個標準大氣壓等於101,325 帕，1.01325 巴，或者 76 公分水銀柱。

馬里亞納海溝底部，水壓（壓強）為1086 巴，即 108.6百萬帕斯卡（MPa），或 15,751磅每平方英寸（pound per square inch - PSI）。

噴丸強化：

噴丸強化，是在一個完全控制的狀態下，將無數小圓形稱為鋼丸的介質高速且連續噴射，捶打到零件表面，從而在表面產生一個殘餘壓應力層。因為當每顆鋼丸撞擊金屬零件上，宛如一個微型棒捶敲打表面，捶出小壓痕或凹陷。為形成凹陷，金屬表層必定會產生拉伸。表層下，壓縮的晶粒試圖將表面恢復到原來形狀，從而產生一個高度壓縮力作用下的半球。無數凹陷重疊形成均勻的殘餘壓應力層。最終，零件在壓應力層保護下，極大程度地改善了抗疲勞強度，延長了安全工作壽命。

參考連結

激光衝擊強化技術
表面強化
激光衝擊強化技術提升我國戰機性能
單晶鑄造高溫合金
中國激光衝擊獲重大突破 世界第二 戰機心臟壽命猛增