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第 5 卷- 2017 年 12 月刊
德国激光喷丸推进航空航天研究



德国汉堡ZAL TechCenter内部(版权ZAL-LHT)


Procudo® 200激光喷丸单元内部


Procudo® 200激光喷丸系统的光学组件


LSPT工厂的激光喷丸设备演示

  在汉堡的中心,航空航天工程的未来正扬帆起航。航空应用研究中心(ZAL技术中心)是民用航空领域最先进的技术中心之一。ZAL技术中心位于易北河畔的汉堡航空集团,那里汇集了航空航天行业的巨头Airbus Operations和Lufthansa Technik,以及大型和小型行业供应商、大学、研究机构、新兴公司和当今最先进的Procudo®激光喷丸系统。

  ZAL的目标是为新兴的航空航天技术提供一个开放的创新环境。激光喷丸是迄今为止ZAL在研发新技术方面的最大投资项目,该组织将使用由美国设备供应商LSP Technologies,Inc.设计的新型激光喷丸机。

  ZAL合作模式旨在将不同的研发合作伙伴聚集在一起。TechCenter工厂提供尖端的基础研究设施,支持各个技术领域,如机舱创新、空中和动力系统以及航空航天生产。LSP Technologies正在加入在ZAL汉堡工厂内部开展的创新行列,为航空航天和其他有意提高产品安全性和可靠性的行业提供专业知识和设备。

  ZAL培养下一代航空器中发挥主导作用的技术研究人员。该设施拥有致力于燃料电池技术、振动声学工程和添加剂制造的实验室,以及最先进的虚拟现实实验室。

  ZAL系统工程师Thorsten Scharowsky博士解释说:“我们在ZAL的使命是为我们的合作伙伴提供最新的基础研发设施。通过汇集民航各个行业的参与者,我们已经培育出了一个可以加速制造准备方面的新兴技术环境。”

物质增强的未来

  该高科技研究中心不久将采用世界上最先进的表面增强工艺,即激光冲击硬化(LSP)是利用激光脉冲强化金属部件的强大的金属改进方法。该工艺目前用于防止涡轮叶片产生疲劳裂纹,随着航空航天原始设备制造商不断瞄准卓越的金属疲劳解决方案,激光喷丸在该行业得到广泛应用。

  激光喷丸处理服务和设备供应商LSP Technologies,Inc.(LSPT)首席执行官Jeff Dulaney博士解释说:“激光喷丸是增强金属疲劳性能的最有效方法。航空航天制造商越来越多地使用LSP的方案来解决疲劳和性能问题,我们对于激光喷丸的应用和优势的研究才刚刚开始。”

  激光喷丸是十分有效,因为此工艺可在部件表面产生了强大的应力波,这种应力波使坚硬的金属(如钛和钢)塑性变形,导入更深的残余压应力,使材料得以强化并防止开裂。Dulaney博士解释说:“我们的压应力可以深至12毫米,使部件寿命比从前延长了15倍以上。许多人仍然将激光喷丸处理与喷丸强化等同化,但是在材料优势方面,这两项工艺并非处于同一水平线,激光喷丸比喷丸强化提高了一个数量级。”

  用高能量脉冲激光系统和一系列工艺叠层进行激光喷丸处理。首先,目标区域被不透明的覆盖层覆盖 - 通常是黑色胶带或油漆 - 并浸没在一层薄薄的水面下,激光脉冲被引导到工件上穿过透明的水并照射不透明的覆盖材料。

  最佳的激光参数因不同的应用而异,但典型的激光脉冲持续时间在8-20纳秒之间,可提供高达50焦耳的能量,这种强大的脉冲使覆盖材料蒸发并将其过热成等离子体,等离子体迅速膨胀,在部件表面产生压力,并向金属内部发送强大的应力波,压力脉冲和应力波被封闭水层放大,作为夯实机构,以增加总体压力。

  当应力波传播到金属中时,深度达到几毫米,金属塑性变形,在目标区域内拉伸,而周围的材料抵抗这种诱发的膨胀,最终的结果是可以延伸至达十二毫米深的残余压应力层。

  较深的残余压应力层是金属疲劳抗力的基石,它通过抵消所施加拉应力工作载荷,来防止部件表面处的开裂。

  喷丸强化一般应用于金属部件以产生压应力表面层,但是很少延伸超过10毫米深,这可能足以应付较低的风险,但是许多航空航天部件需要更深的残余压应力层,以防止飞行中的关键故障。据LSP Technologies的David Sokol博士解释说,激光喷丸可以渗透至喷丸强化无法实现的深度。

  LSPT研究总监Sokol博士说:“疲劳强度的改善与导入的残余压应力的大小和深度成正比,较大的压应力可抵消较大的拉应伸,而较深的压缩则可抑制零件表面下方形成的微裂纹。所有的机制均是压缩应力波的大小,这是激光喷丸真正独树一帜的地方。”

  激光喷丸在部件表面上提供无与伦比的功率密度 - 在某些应用中,每平方厘米高达100亿瓦特,这些强大的激光照射产生的应力波比弹丸冲击所能达到的任何强度都要高出许多倍,”因此,激光喷丸的工件的寿命比喷丸强化多十倍以上,在航空航天设计和工程方面开创了创新的可能性。

  Scharowsky博士解释说:“激光喷丸在航空航天应用方面提供了明显优于喷丸强化的优点。在ZAL,我们对LSP所提供的精度、功率和建模能力感到非常兴奋。我们发现航空航天合作伙伴在开发工业激光喷丸处理方面存在巨大的价值。”

汉堡激光喷丸设备

  Procudo® 200激光喷丸系统是世界上唯一的商业激光喷丸设备。Procudo® LSP系统专为大批量生产加工而设计,为ZAL的激光喷丸研究和应用开发提供了一个强大的、多功能的平台。

  LSPT首席执行官Dulaney博士解释说:“市场上还没有像Procudo®激光喷丸系统一样的东西。我们正着手设计一个高功率的转键系统,任何原始设备制造商都可以整合到生产线上。我们很高兴在像ZAL技术中心这样的创新中心展示这种强大的技术。”

  LSPT工程师将与Airbus研究人员一起研究激光喷丸金属表面强化的优点和应用,对许多人来说,这将是进行高能激光喷丸研究的第一次机会,其目标是开发航空航天工业及其之外的现场应用。

  Dulaney博士说:“我们的目标之一就是为整个欧洲的制造商提供激光喷丸研发机会,我们邀请原始设备制造商来到汉堡,让LSPT展示我们多年的激光喷丸处理经验,并亲身体验这种革命性的技术。”

  Procudo®系统的核心是最先进的二极管抽运激光器,与传统的闪光灯激光器相比,二极管抽运激光器提供了卓越的效率、光束质量和脉冲一致性,并成为工业激光制造商的首选。

  Dulaney博士解释说:“我们的系统将在需要更换二极管之前投放数十亿次喷丸。二极管发出非常窄的波长,其被我们自制的YLF晶体所吸收。这提供了执行大批量处理的高效率,而不会使设备过热。”

  Procudo®激光喷丸系统专为速度、功率、一致性和易用性而设计。二极管抽运技术使设备能够一致稳定地输出,每秒传输20个脉冲。这是迄今为止最快的激光喷丸系统,它为操作员提供了多种功能,可为每个应用定制激光参数,如能量、脉冲宽度和光斑尺寸。

  这些优化的功能使Procudo®系统成为ZAL创新航空航天研究的理想选择。LSPT的David Sokol博士解释说:“某一天,我们可能会加工钛粉叶片,用于FOD电阻,而下一步就可能是钢制起落架或铝制翼皮。每个应用程序都有一个优化残余应力分布的独特方法,而Procudo®系统使我们能够灵活地快速开发该方法。”

  ZAL激光喷丸设备将于2018年投入运行,这将成为航空航天材料工程的新纪元。欧洲制造商在ZAL获得的发展将产生更安全、更强大、更可靠的部件,以及航空航天制造和设计的创新应用。

  Procudo®激光喷丸系统是世界上最先进的设备,用于执行世界上最强大的金属强化工艺。它将很快成为世界上最先进的航空研究中心之一的专用设施,为不断发展的飞行世界带来新的可能性。



LSP Technologies, Inc.
6145 Scherers Place
Dublin, Ohio 43016-1284, USA
电话:+1.614.718 3000
传真:+1.614.718 3007
邮箱:dlahrman@lspt.com
www.lsptechnologies.com
 
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