激光冲击强化理论与技术

　　《激光冲击强化理论与技术》是著名航空推进技术专家李应红教授的**研究成果，金属材料新型表面强化技术——激光冲击强化进行了深入、系统的讨论。《激光冲击强化理论与技术》的出版将推动国内冲击波作用下材料的动态响应、激光冲击强化技术应用研究，促进激光冲击强化在飞机/发动机、地面燃气轮机等部件上的应用，提高装备的安全性和可靠性，为*终实现该技术的规模化工业应用提供理论基础和技术指导。《激光冲击强化理论与技术》的特色是从激光冲击强化机理、设备、工艺和应用等方面，“四位一体”开展研究，系统性强；提出了激光等离子体冲击波表面纳米化，并探讨了相应的机理和应用方法，创新性好；理论结合实际对具体部件进行激光冲击强化设计，工程应用价值较高。
 

　　激光冲击强化技术是一种使用千兆瓦级纳秒脉冲激光辐照金属表面，产生高压等离子体冲击波，对金属表面进行改性，使其产生残余压应力、高密度位错和表面纳米化的新技术。该技术具有强化效果佳、可控性强、适应性好等优点，可成功用于提高部件的疲劳强度、消除焊接残余拉应力等方面。《激光冲击强化理论与技术》系统了介绍激光冲击强化理论和技术，主要内容包括：激光诱导等离子体冲击波原理及在介质中传播的特性，冲击波作用下材料表层残余应力场和表面纳米化及其提高疲劳性能的规律和机理，激光冲击强化应用技术和规范等

　　李应红教授，1963年1月生，空军工程大学航空等离子体动力学国防科技重点实验室和飞机推进系统军队重点实验室主任，航空宇航推进理论与工程国家重点学科建设责任人，担任国家安全重大基础研究首席专家。曾当选全国优秀科技工作者、全军英模代表大会代表，入选首批新世纪百千万人才工程*人选、国家*“新世纪优秀人才支持计划”，获中国工程院“光华工程科技奖青年奖”、中国科协“求是杰出青年实用工程奖”、军队杰出专业技术人才奖，享受政府特殊津贴。获国家科技进步一等奖1项，三等奖1项，国家教学成果二等奖1项，军队科技进步一等奖3项、二等奖6项，军队教学成果一等奖2项，发明专利20项（13项排名）。发表论文130余篇，SCI、EI、ISTP收录102篇，出版专著1部，参编国外专著4部。

序
前言
第1章概述
1.1金属部件疲劳断裂与表面强化方法
1.1.1疲劳的危害
1.1.2疲劳破坏的过程和抗疲劳制造
1.1.3表面强化方法
1.2激光冲击强化基本原理与特点
1.2.1激光冲击强化基本原理
1.2.2激光冲击强化技术优势
1.3激光冲击强化理论和技术发展历程
1.3.1国外研究发展概况
1.3.2美国应用发展概况
1.3.3我国的发展概况
1.4激光冲击强化中的科学问题
1.4.1高压冲击波作用下材料的动态响应
1.4.2高能激光与材料的相互作用
1.4.3材料激光冲击强化中的多尺度力学问题
1.5激光冲击强化中的技术问题
1.5.1成套设备与综合控制技术
1.5.2强化过程在线监控与质量保证
1.5.3特殊部位强化关键技术问题
1.6本书的主要内容
参考文献
第2章激光诱导等离子体冲击波原理与特性
2.1激光与物质的相互作用基本原理
2.1.1激光辐照效应
2.1.2材料对激光的吸收
2.2激光等离子体基本原理与特性
2.2.1等离子体概念
2.2.2激光等离子体产生的时间尺度
2.2.3激光辐照形成等离子体的过程
2.2.4激光在等离子体中的吸收
2.2.5激光等离子体屏蔽效应
2.2.6激光等离子体的诊断
2.3激光诱导等离子体冲击波的模型与仿真
2.3.1激光维持的燃烧波和爆轰波
2.3.2爆轰波的C.J起爆模型及初始参数计算
2.3.3一维等离子体爆轰波模型研究概况
2.3.4约束条件下爆轰波二维辐射膨胀模型
2.3.5基于Fluent的模型仿真与分析
2.4激光诱导等离子体冲击波压力测试
2.4.1冲击波特性测试的方法
2.4.2水约束层对冲击波压力的影响
2.4.3功率密度及波长对冲击波压力的影响
2.4.4吸收保护层对冲击波压力的影响
参考文献
.viii.第3章激光等离子体冲击波在金属材料和空气中的传播
3.1冲击波作用下固体的基本方程式
3.1.1守恒方程
3.1.2固体材料的物态方程
3.2金属材料中的冲击波及其对材料作用过程
3.2.1冲击压缩条件下材料的强度特性
3.2.2激光冲击作用下材料的应变率
3.2.3弹性波和塑性波
3.2.4冲击波对金属材料的作用过程
3.3金属材料中冲击波的反射与衰减
3.3.1金属材料中冲击波的反射
3.3.2金属材料中冲击波的衰减
3.4激光等离子体声波在空气中的传播
3.4.1理想气体中冲击波基本关系
3.4.2激光等离子体声波的产生与发展
3.4.3激光等离子体声波特征测试与分析
参考文献

第4章激光冲击金属材料应力应变场数值仿真
4.1引言
4.2数值仿真基本方法
4.3高应变率条件下材料的动态本构模型
4.3.1常用动态本构模型
4.3.2材料动态本构模型修正
4.3.3模型参数获取方法
4.4板材激光冲击仿真与分析
4.4.1冲击波传播规律
4.4.2残余应力场的形成机制及分布特点
4.4.3不同冲击参数下激光冲击强化仿真
4.4.4激光冲击残余应力洞形成机制与分布特点
4.5构件激光冲击仿真分析和设计流程
4.5.1模拟叶片激光冲击强化仿真分析
4.5.2钛合金叶片的数值仿真分析
4.5.3基于数值仿真的激光冲击强化设计
参考文献
.ix.第5章激光冲击金属材料的残余应力测试与分析
5.1金属材料残余应力的测试方法
5.1.1X射线衍射法
5.1.2结合光栅应变花的盲孔法
5.2激光冲击金属材料的残余应力场特征
5.3强化参数对残余应力场的影响
5.3.1激光功率密度对残余应力场的影响
5.3.2光斑大小对残余应力场的影响
5.3.3脉宽对残余应力场的影响
5.3.4强化次数对残余应力场的影响
5.3.5约束层、吸收保护层对残余应力场的影响
5.3.6光斑搭接率对残余应力场的影响
5.3.7激光斜冲击角度对残余应力场的影响
5.3.8双面对冲下残余应力场分布情况
5.4激光冲击强化残余应力均匀性分析
5.4.1光斑形状与强化均匀性
5.4.2光斑布置方式和强化均匀性
5.5激光冲击强化后金属材料残余应力热松弛
5.5.1马氏体不锈钢激光冲击强化残余应力热松弛
5.5.2镍基高温合金激光冲击强化残余应力热松弛
参考文献
第6章激光等离子体冲击波表面纳米化
6.1引言
6.2激光等离子冲击波表面纳米化微观组织特征
6.2.1激光冲击钛合金表面纳米化
6.2.2激光冲击镍基高温合表面纳米化
6.2.3激光冲击马氏体不锈钢表面纳米化
6.2.4304不锈钢表面纳米化
6.3激光诱导等离子体冲击波表面纳米化机制
6.3.1位错的形成
6.3.2纳米晶的形成
6.3.3激光等离子冲击波表面纳米化参数范围
6.4激光等离子冲击波表面纳米晶热稳定性
6.4.1钛合金表面纳米晶热稳定性
6.4.2镍基高温合金表面纳米晶热稳定性
6.4.3激光冲击表面纳米晶的热稳定性机理
参考文献
.x.第7章激光冲击提高金属材料疲劳性能的作用及机制
7.1激光冲击金属材料表层硬化
7.1.1钛合金表面硬化
7.1.2镍基合金表层硬化
7.1.3不锈钢表层硬化
7.2激光冲击提高金属材料疲劳性能的试验结果
7.2.1振动疲劳试验考核方法
7.2.2激光冲击提高钛合金疲劳性能
7.2.3激光冲击提高镍基合金疲劳性能
7.2.4激光冲击提高不锈钢疲劳性能
7.2.5激光冲击提高铝合金疲劳性能
7.2.6激光冲击强化提高钛合金叶片抗外物打伤性能
7.3表面纳米化和残余压应力的复合强化机制
7.3.1表面纳米化提高疲劳强度机制
7.3.2残余压应力提高疲劳强度机制
参考文献
第8章激光冲击强化应用技术
8.1激光冲击强化的基本过程
8.2金属材料激光冲击强化应用规范
8.2.1金属材料激光冲击强化参数范围
8.2.2金属材料激光冲击强化疲劳强度提高的范围
8.2.3激光冲击强化质量检验方法
8.3特殊部件（位）激光冲击强化工艺技术
8.3.1薄壁叶片激光冲击强化工艺技术
8.3.2小孔孔边激光冲击强化技术
8.3.3叶片/盘榫槽部位激光冲击强化技术
8.4激光冲击强化复合修复技术
8.4.1激光修复技术
8.4.2激光焊接/熔覆与冲击复合修复技术
8.5激光冲击与表面扩散渗入复合技术
8.5.1激光冲击与渗铝复合处理
8.5.2激光冲击与渗氮复合处理
8.5.3激光冲击与渗碳复合处理
8.5.4激光冲击与表面扩散渗入复合技术机理
参考文献
.xi.第9章激光冲击强化成套设备技术
9.1激光冲击强化成套设备组成与通用设备
9.1.1激光冲击强化成套设备组成
9.1.2高功率脉冲激光器
9.1.3机器人
9.2吸收保护层自动涂覆/去除与外光路技术
9.2.1吸收保护层自动涂覆/去除装置
9.2.2外光路技术
9.3激光冲击强化控制与监控技术
9.3.1控制系统设计
9.3.2强化路径规划控制与定位控制技术
9.3.3激光冲击过程监控技术
参考文献

　　第1章概述第1章概述
　　在交变载荷作用下，金属零部件经常因为局部疲劳裂纹、断裂而整体报废，甚至导致设备或装备的故障或事故，疲劳断裂是影响机械结构和装备安全性、可靠性的重要因素［1］。航空发动机部件高周疲劳断裂问题是研制和使用中的疑难问题。大量的研究表明，金属构件的疲劳性能与其表面完整性密切相关，一般情况下，断裂往往是由于在交变载荷的作用下构件表面产生裂纹，逐渐扩展而导致整体的破坏。
　　为提高服役条件下结构的可靠性，延长使用寿命，在不改变基体材料性能的前提下，表面强化技术得到了国际上越来越多的研究，提出了多种表面强化方法，得到了广泛的应用，取得了很好的效果和效益［2］。激光冲击强化技术由于其具有强化效果佳、可控性强、适应性好等优点，得到了越来越广泛的关注和研究，成功用于提高部件的疲劳强度，延长使用寿命［3?5］。
　　1?1金属部件疲劳断裂与表面强化方法
　　疲劳是指在交变载荷（应力或应变）作用下，由于某点或某些点发生了局部的永久性结构变化，从而在一定循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程。按载荷循环次数的高低，一般可分为低周疲劳（循环次数小于104，也称为应变疲劳）、高周疲劳（循环次数介于104~107，也称为应力疲劳）和超高周疲劳（循环次数大于107）等。
　　1?1?1疲劳的危害
　　低周疲劳（low cycle fatigue,LCF）是指结构承受较高应力（接近屈服极限），断裂失效前应力循环次数较低，一般低于104；高周疲劳（high cycle fatigue,HCF）时结构所承受的应力远低于材料的屈服极限，断裂失效前应力循环次数较高（大于104）。由于高周疲劳时的应力水平低，在宏观上表现为无明显塑性变形的脆性断裂。对飞行器特别是航空燃气涡轮发动机，零部件高周疲劳失效是影响安全性和可靠性的重要因素。据统计，高周疲劳失效占航空发动机全部构件损伤的24%，如图1?1所示。
　　图1?1航空发动机高周疲劳失效占发动机故障的比重
　　引起航空发动部件高周疲劳的因素很多，主要包括以下几种情况：
　　（1） 转子不平衡引起的机械振动（影响管路系统、非转动结构和外部零件）和碰磨（影响叶尖和密封部件等）。
　　（2） 进气风扇、流道中支板和叶片产生的气流扰动频率与发动机零部件各阶固有振动频率可能相同，从而引起结构振动。
　　（3） 气体的流动不稳定性，引起叶片的颤振等。
　　（4） 燃烧脉动和强噪声等影响。
　　图1?2为