Laser Shock Perening: Innovation de la technologie de renforcement de surface du laboratoire au site industriel
Laser Shock Perening Technology, un processus innovant connu sous le nom de "révolution du renforcement de la surface des matériaux", remodèle tranquillement le paysage final de la fabrication finale -. Dès le premier aperçu de la modification de la microstructure de l'alliage d'aluminium dans le laboratoire américain à la pratique industrielle du traitement de la lame Boeing 777; De la naissance de la première ligne de production d'impulsions continues en Chine à la percée du système de renforcement du disque de lame intégrale, il utilise l'éclatement instantané de plasma de tension élevé - pour sculpter un "bouclier de protection anti--" sur la surface du métal.
Lorsque le faisceau laser nanoseconde entre en collision avec le métal, la vaporisation et l'évaporation de la couche d'absorption d'énergie sont comme une micro explosion, donnant naissance à des ondes de choc à haute pression à haute pression, tissant un réseau dense de contrainte compressive résiduelle à l'intérieur du matériau. La sélection de la couche de contrainte est comme la couture - l'effet ultime du verre et l'adaptation industrielle de l'écoulement de l'eau, la flexibilité de la peinture noire mais difficile à éliminer, et la commodité du papier d'aluminium devient le premier choix. Dans le domaine de la simulation numérique, l'entrelacement des algorithmes explicites et implicites et l'innovation du modèle de déformation intrinsèque font passer l'optimisation des processus de "essais et erreurs" à "calcul précis".
Ce n'est pas seulement l'évolution d'une technologie, mais aussi une déclaration de l'industrie manufacturière pour "défier la limite": comment le "cœur" d'un moteur d'avion peut-il résister à des dizaines de milliers d'impacts? Comment un réacteur nucléaire peut-il résister à des décennies de pression? Les implants biologiques peuvent-ils trouver un équilibre entre la ténacité et la dégradation? Laser Shock Perening utilise la puissance des photons pour écrire des réponses à ces problèmes difficiles.
La technologie de rachat de choc laser, également connu sous le nom de laser, est une nouvelle technologie de modification de surface efficace, efficace et en développement rapide. Par rapport à la technologie traditionnelle de la prise de vue mécanique, il peut former une couche de contrainte de compression résiduelle plus profonde à la surface de la pièce, et a une forte contrôlabilité et une bonne adaptabilité, et peut gérer les pièces de poignée difficiles - à -. À l'heure actuelle, cette technologie a été largement utilisée dans la fabrication résistante à la fatigue -, comme les lames de moteur d'avion, les engrenages et les soudures de pression nucléaire des centrales. Avec la baisse supplémentaire du prix de l'équipement laser, la technologie de rachat de choc laser sera plus largement utilisée.
La technologie de rachat de choc laser est largement utilisée dans l'ingénierie.
En 1972, les États-Unis ont utilisé des ondes de choc - - - pour traiter les alliages d'aluminium élevés - élevés pour la première fois, et a constaté que sa microstructure de surface a changé et la résistance à la traction a augmenté de plus de 30%, ce qui a ouvert la microstructure en laser et la recherche de la recherche. À la fin des années 1980, des pays et des régions comme l'Europe, le Japon et Israël ont effectué des recherches sur la technologie des chocs laser.
En 1995, la première société mondiale de technologie de traitement des chocs laser a été fondée aux États-Unis. En 1997, General Motors a utilisé la technologie de traitement des chocs laser pour traiter les lames du ventilateur du moteur d'avion, améliorant considérablement leur tolérance aux dommages à l'étranger. En 2001, l'American Laser Shock Processing Technology Company a effectué un choc laser sur plus de 800 moteurs de rouleaux - Royce. En 2004, la société a coopéré avec le US Air Force Laboratory pour mener des recherches de réparation au laser sur les pales en alliage en titane de moteur endommagé sur le F / A - 22, et sa force de fatigue a été doublée. La même année, les États-Unis ont officiellement promulgué les spécifications de traitement des chocs laser, et la technologie a été appliquée au traitement de la lame de Boeing 777. En 2012, les États-Unis ont réussi à développer un équipement mobile de traitement des chocs laser qui peut entrer sur le site industriel pour fournir des services en temps réel. En 2002, la Toshiba Corporation du Japon a utilisé de petits lasers pour traiter les soudures telles que les récipients de pression du réacteur nucléaire et les joints de tuyaux pour améliorer la durée de vie de la fatigue des pièces.
Les chercheurs étrangers ont également utilisé la technologie de traitement des chocs laser pour renforcer les métaux et les alliages biomédicaux, améliorer la dureté, la limite d'élasticité et la durée de vie des implants permanents et réduire le taux de dégradation des implants dégradables tels que le calcium - des alliages de magnésium.
La recherche domestique sur la technologie de traitement des chocs laser a commencé dans les années 1990, se concentrant principalement sur une série d'études expérimentales et des discussions théoriques connexes sur les alliages et les aciers en aluminium. Depuis 1992, l'Université de Nanjing d'aéronautique et d'astronautique a coopéré avec l'Université des sciences et de la technologie de la Chine pour effectuer des recherches sur le renforcement du choc laser et la fabrication de la résistance à la fatigue des pièces structurelles de l'aviation. En 1995, le premier dispositif de renforcement du choc laser pour une seule expérience de choc laser en Chine a été développé avec succès à l'Université des sciences et de la technologie de la Chine. En 2008, l'Air Force Engineering University, en collaboration avec Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. et Beijing Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., ont réussi à développer avec succès la première ligne de production de renforcement de choc laser à impulsions continues. En 2011, le premier ensemble d'équipements intégraux du système de renforcement du choc laser à lame de mon pays a été développé avec succès à l'Institut Shenyang d'automatisation, Chinese Academy of Sciences, et livré à Shenyang Liming Engine Co., Ltd. pour une utilisation.
Mécanisme et facteurs d'influence des chocs laser
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) couche de plasma. Le grain de choc laser utilise la forte onde de choc se propageant dans le matériau causé par la charge d'impact appliquée par la couche de plasma de pression - élevée sur la cible.
Les matériaux de la couche contrainte actuellement utilisés comprennent principalement le verre optique K9, le verre organique et la couche d'écoulement d'eau. La couche contrainte du matériau en verre a le meilleur effet, mais a une mauvaise adaptabilité et se casse, ce qui ne convient qu'au traitement de choc au laser unique. Généralement, la couche d'écoulement de l'eau est utilisée comme couche limitée dans les tests de choc laser et les applications industrielles. Il présente les avantages d'une forte applicabilité, d'un faible coût, d'un fonctionnement facile et aucun besoin de remplacement. À l'exception d'un petit nombre de processus de traitement des chocs laser qui n'utilisent pas de couches d'absorption d'énergie, la plupart d'entre eux nécessitent des couches d'absorption d'énergie. Les couches d'absorption d'énergie couramment utilisées sont principalement des matériaux à faible chaleur de vaporisation tels que la peinture noire, le papier d'aluminium et le ruban noir. La peinture noire a une bonne applicabilité et peut être utilisée pour le traitement du choc au laser des rainures, des petits trous, etc., mais il n'est pas facile à éliminer une fois le choc terminé, de sorte que le papier d'aluminium et le ruban noir sont généralement utilisés comme couches d'absorption d'énergie.
Il existe de nombreux facteurs qui affectent l'effet du coup de choc au laser, principalement des propriétés de matériaux, de la couche de contraintes, de la couche d'absorption d'énergie, des paramètres de choc laser, etc. Si la densité de puissance laser reste inchangée, plus la largeur de la pouls laser est longue, plus l'effet de traitement de choc laser est long sur le matériau, et plus l'effet de choc au laser. Cependant, si la largeur d'impulsion laser est trop grande, il est très facile de provoquer des brûlures de surface du matériau affectées. Ce n'est qu'en sélectionnant une couche de contraintes raisonnable, une couche d'absorption d'énergie et des paramètres de choc laser selon les propriétés des matériaux que un meilleur effet de renforcement peut être obtenu.
La simulation numérique de la simulation numérique du choc laser permet d'obtenir les paramètres de processus optimaux pour des applications spécifiques et est devenu progressivement un moyen important d'étudier le choc laser. Les universitaires nationaux et étrangers ont fait beaucoup de recherches sur la modélisation et l'optimisation du coup de choc au laser. À l'heure actuelle, l'industrie a fait de grands progrès dans l'analyse dynamique explicite + la méthode de simulation numérique de choc laser à analyse statique implicite et la méthode de simulation numérique du choc laser basé sur la déformation intrinsèque.
Lorsque la couche de plasma de pression élevée - a un impact sur le matériau cible, le matériau dans la zone d'impact subit une déformation plastique à taux de déformation élevé et la réponse structurelle change très rapidement, ce qui est un problème dynamique de vitesse hautement élevé -. Si l'algorithme d'éléments finis implicites est utilisé pour résoudre ce type de problème, il nécessite non seulement une grande quantité de calcul et de stockage, mais a également du mal à calculer la convergence. Il est nécessaire d'utiliser une méthode d'analyse par éléments finis explicites pour résoudre l'onde de contrainte générée par l'impact du plasma. En particulier, l'utilisation complète de méthodes d'analyse par éléments finis explicites et implicites pour effectuer une simulation numérique du processus de réponse dynamique du matériau sous l'action de l'onde de choc est propice à l'obtention de résultats de prédiction de champ de stress résidus précis.
Lorsque le calcul de la contrainte résiduelle du choc laser - unique et la méthode de la contrainte résiduelle de la contrainte résiduelle sont utilisés pour simuler le choc laser multi - sur une grande surface, la quantité totale de calcul est souvent énorme et qu'il faut beaucoup de temps pour obtenir le champ de contrainte résiduel de l'échantillon. De plus, en raison de la grande influence de la géométrie de la pièce sur le champ de contrainte résiduelle, il est difficile de simuler avec précision le champ de contrainte résiduel de la multiplication multi - se chevauchant le choc laser de composants réels avec des surfaces incurvées complexes en utilisant la méthode de superposition de contrainte.
Afin de résoudre efficacement ces deux problèmes, certains chercheurs ont établi un modèle numérique basé sur une déformation intrinsèque pour simuler le champ de contrainte résiduel du durcissement du choc laser. Ce modèle suppose que la déformation intrinsèque formée par un choc laser sur la surface du composant est insensible à la géométrie du composant. Le processus de simulation se concentre uniquement sur la déformation plastique induite par le choc laser. Le champ de déformation de la grande - zone multi - La choc laser point du composant est obtenue par superposition de déformation intrinsèque, et un modèle thermoélastique est utilisé pour obtenir le champ de contrainte résiduel final et la déformation plastique.
Ces dernières années, les chercheurs pertinents au pays et à l'étranger ont utilisé ce modèle pour la simulation numérique des champs de stress résiduel du renforcement du choc laser de différents composants complexes. L'efficacité de calcul de ce modèle de déformation intrinsèque est considérablement améliorée par rapport au modèle traditionnel, et le modèle établi peut prédire efficacement le champ de stress résiduel induit par le choc laser.
