レーザーショックピーニング：実験室から工業用地への表面強化技術の革新
「材料表面強化革命」として知られる革新的なプロセスであるレーザーショックピーニングテクノロジーは、高{-エンドマニュファクチャリングランドスケープを静かに再構築しています。アメリカの研究室のアルミニウム合金の微細構造を変更する最初の垣間見ることから、ボーイング777ブレード処理の産業実践まで。中国での最初の連続パルス生産ラインの誕生から、積分ブレードディスク強化システムのブレークスルーまで、高-電圧プラズマの瞬間的なバーストを使用して、金属表面の抗-疲労「保護シールド」を彫ります。
ナノ秒レーザービームが金属と衝突すると、エネルギー吸収層の気化と蒸発は微量爆発のようなものであり、材料内の残留圧縮応力の密なネットワークを織り込む超-高圧ショック波を生み出します。制約層の選択は、-ガラスの究極の効果と水流の産業的適応、黒い塗料の柔軟性が除去するのが難しく、アルミホイルの利便性が最初の選択になるようなものです。数値シミュレーションの分野では、明示的および暗黙的なアルゴリズムの織り織りと固有のひずみモデルの革新により、プロセスの最適化が「試行錯誤」から「正確な計算」に移行しています。
これは、テクノロジーの進化であるだけでなく、製造業の「限界に挑戦する」ための宣言でもあります。航空機エンジンの「心」は、何万もの影響にどのように耐えることができますか？原子炉溶接は何十年もの圧力に耐えることができますか？生物学的インプラントは、タフネスと劣化のバランスを見つけることができますか？レーザーショックピーニングは、光子の力を使用して、これらの困難な問題に対する答えを書くことです。
レーザーショットピーニングとしても知られるレーザーショックピーニングテクノロジーは、新しい効果的で急速に発展している表面修正技術です。従来のメカニカルショットピーニングテクノロジーと比較して、ワークピースの表面により深い残留圧縮応力層を形成し、強力な制御性と優れた適応性を備えており、-から-のハンドルパーツを処理できます。現在、この技術は、航空機のエンジンブレード、ギア、原子力発電所の圧力溶接などの疲労-耐性製造に広く使用されています。レーザー機器の価格がさらに低下するにつれて、レーザーショックピーニングテクノロジーがより広く使用されます。
レーザーショックピーニングテクノロジーは、エンジニアリングで広く使用されています。
1972年、米国は高-パワーレーザー-誘導ショック波を使用して、-強度アルミニウム合金を初めて処理し、表面微細構造が変化し、緊張強度が30％を超えることを発見しました。 1980年代後半、ヨーロッパ、日本、イスラエルなどの国や地域は、レーザーショックピーニングテクノロジーに関する研究を実施しました。
1995年、世界初のレーザー衝撃処理技術会社が米国で設立されました。 1997年、ゼネラルモーターズはレーザー衝撃処理技術を使用して航空機のエンジンファンブレードを処理し、異物の損傷に対する耐性を大幅に改善しました。 2001年、American Laser Shock Processing Technology Companyは、800以上のロール- Royceでレーザーショックピーニングを行いました。 2004年、同社は米国空軍研究所と協力して、F/A - 22の損傷したエンジンチタン合金ブレードに関するレーザーショットのピーニング修理研究を実施し、その疲労強度は2倍になりました。同じ年に、米国はレーザー衝撃処理仕様を公式に公布し、技術はボーイング777のブレード処理に適用されました。 2002年、日本の東芝公社は小さなレーザーを使用して、原子炉圧力容器やパイプジョイントなどの溶接を処理して、部品の疲労寿命を改善しました。
外国人学者はまた、レーザー衝撃処理技術を使用して生物医学金属と合金を強化し、永久インプラントの硬度、降伏強度、疲労寿命を改善し、カルシウム-マグネシウム合金などの分解性インプラントの分解率を低下させました。
レーザー衝撃処理技術に関する国内の研究は1990年代に始まり、主に一連の実験的研究とアルミニウム合金と鋼に関する関連する理論的議論に焦点を当てています。 1992年以来、南京航空宇宙宇宙宇宙大学は中国科学技術大学と協力して、航空構造部品のレーザー衝撃強化と疲労抵抗の製造に関する研究を実施しています。 1995年、中国での単一レーザーショック実験のための最初のレーザーショック強化装置は、中国科学技術大学で成功裏に開発されました。 2008年、空軍工学大学は、Xi'an Optoelectronic Technology Development Co.、Ltd。およびBeijing Leibao Optoelectronic Technology Co.、Ltd。と協力して、私の最初の連続パルスレーザーショックを強化することに成功しました。 2011年、私の国の最初の積分ブレードレーザーショック強化システム機器は、中国科学アカデミーの自動車自動車研究所で成功裏に開発され、使用のためにShenyang Liming Engine Co.、Ltd。に届けられました。
レーザーショックピーニングのメカニズムと影響要因
When a laser beam with a power density greater than 10⁹W/cm² and a pulse width of nanoseconds irradiates the metal surface, the energy absorption layer absorbs the laser energy and undergoes explosive vaporization and evaporation, generating a high-temperature (>10⁷K) and high-pressure (>1GPA）プラズマ層。レーザーショックピーニングは、ターゲット上の高-圧力プラズマ層によって適用される衝撃負荷によって引き起こされる材料に伝播する強い衝撃波を利用します。
現在使用されている制約付き層材料には、主にK9光学ガラス、オーガニックガラス、水流層が含まれています。ガラス材料が制約された層は最良の効果がありますが、適応性が低く、壊れます。これは単一のレーザーショック治療にのみ適しています。一般に、水流層は、レーザーショックテストと産業用途の制約付き層として使用されます。強力な適用性、低コスト、簡単な操作、交換の必要はありません。エネルギー吸収層を使用しない少数のレーザー衝撃処理プロセスを除き、それらのほとんどはエネルギー吸収層を必要とします。一般的に使用されるエネルギー吸収層は、主に黒い塗料、アルミホイル、黒いテープなどの蒸気熱が低い材料です。ブラックペイントは適用可能性が高く、溝、小さな穴などのレーザーショックピーニング処理に使用できますが、ショックが完了した後は除去するのは簡単ではないため、アルミニウムホイルと黒いテープは一般にエネルギー吸収層として使用されます。
レーザーショックピーニング、主に材料特性、制約層、エネルギー吸収層、レーザー衝撃パラメーターなどの効果に影響する多くの要因があります。レーザー出力密度が変化しない場合、レーザーパルス幅が長くなると、レーザー衝撃波が材料に作用する時間が長くなり、レーザー衝撃治療効果が高くなります。ただし、レーザーパルス幅が大きすぎる場合、材料の表面火傷を引き起こすのは非常に簡単です。合理的な制約層、エネルギー吸収層、および材料特性に応じたレーザー衝撃パラメーターを選択することにより、より良い強化効果を達成できます。
レーザーショックピーニングの数値シミュレーション数値シミュレーションは、特定のアプリケーションの最適なプロセスパラメーターを取得するのに役立ち、徐々にレーザーショックピーニングを研究する重要な手段になりました。国内および外国の学者は、レーザーショックピーニングのモデリングと最適化に関する多くの研究を行ってきました。現在、業界は、明示的な動的分析 +暗黙的な静的分析レーザー衝撃ピーニング数値シミュレーション法と、内因性ひずみに基づくレーザーショックピーニング数値シミュレーション法で大きな進歩を遂げています。
高-圧力プラズマ層がターゲット材料に衝撃を与えると、衝撃領域の材料が高ひずみ速度のプラスチック変形を受け、構造応答が非常に迅速に変化します。暗黙の有限要素アルゴリズムを使用してこのタイプの問題を解決する場合、大量の計算とストレージが必要であるだけでなく、計算収束が困難になります。プラズマの衝撃によって生成される応力波を解くには、明示的な有限要素分析方法を使用する必要があります。特に、衝撃波の作用下での材料の動的応答プロセスの数値シミュレーションを実行するための明示的および暗黙的な有限要素分析方法の包括的な使用は、正確な残留応力場予測の結果を得るのに役立ちます。
単一の-ポイントレーザーショック残留応力計算と重ね合わせ方法を使用して、マルチ-ポイントのオーバーラップレーザーショックを大部分でシミュレートすると、計算の合計量は膨大であり、標本の残留応力フィールドを得るのに多くの時間がかかります。さらに、残留応力場に対するワークピースジオメトリの大きな影響により、ストレス重合法を使用して複雑な湾曲した表面を使用した実際の成分のマルチ-ポイントオーバーラップレーザー衝撃硬化の残留応力場を正確にシミュレートすることは困難です。
これら2つの問題を効果的に解決するために、一部の研究者は、レーザーショック硬化の残留応力場をシミュレートするために、固有のひずみに基づいた数値モデルを確立しています。このモデルは、コンポーネントの表面のレーザーショックによって形成される固有のひずみが、成分のジオメトリに鈍感であると想定しています。シミュレーションプロセスは、レーザーショックによって誘導されるプラスチックひずみにのみ焦点を当てています。成分の大きな-領域のマルチ-ポイントレーザーショックのひずみフィールドは、固有のひずみの重ね合わせによって得られ、熱弾性モデルを使用して、最終的な残留応力場とプラスチック変形を取得します。
近年、国内外の関連する学者は、このモデルを使用して、さまざまな複雑な成分のレーザー衝撃強化の残留応力場の数値シミュレーションに使用しています。この固有のひずみモデルの計算効率は、従来のモデルと比較して大幅に改善されており、確立されたモデルは、レーザーショックによって誘導される残留応力場を効果的に予測できます。
