德国团队利用激光喷丸技术“升级”航空钛合金板材加工

近日，德国Helmholtz－Zentrum Hereon材料力学研究所的研究人员宣布完成了一项针对激光喷丸技术的实验，该实验主要是为了研究这种技术在航空航天钛合金板材加工中的潜力。据介绍，该研究将产生量化数据来开发工艺规划算法，从而显著提高激光喷丸的自动化程度。

（图片来源：德国Helmholtz－Zentrum Hereon材料力学研究所）

激光喷丸成形在打造某些含曲线的飞机部件（如机翼前部、机尾部分和机身结构）时颇具优势，在目前许多正常服役的飞机上，这些部件通常是由轻质、高强度钛合金Ti－6Al－4V制成的。但偏偏这种合金不容易被“驯服”——在尝试将这种合金部件成形（例如用传统的热冲压或增量板材成形工艺）时，你会体验到明显的“回弹”。这种回弹是当成形组件从成形工艺的载荷和约束中释放出来时出现的几何变化，在航空航天工业中更是显得尤为棘手，最终零件通常会因为不满足严格的公差要求而报废。

Helmholtz－Zentrum Hereon材料力学研究所激光材料加工和结构评估系的博士生Siva Teja Sala指出：“对于大规模生产而言这一点都不理想，因此航空制造商目前正寻找一种灵活的、具有成本效益的校正过程，使这些公差得到控制，而激光喷孔成型恰恰就非常适合这种应用。它非常灵活，只需要有限的夹具或夹紧系统（不需要巨大的机器），整体只需要一个脉冲激光和一个可以处理零件的机器人。与传统成型工艺相比，它的自动化程度很高，能耗也很低。”

因此，Sala和他的同事们开始在“PEENCOR”项目框架内研究激光喷孔成形，该项目旨在纠正在生产弯曲钛飞机部件过程中不可避免的偏差。该项目通过开发一种自动化激光喷丸成型工艺，测量这些复杂的偏差，并根据指定的公差进行校正，从而减少零件报废，提高整体生产率。

精准控制的微型爆炸

该实验是德国Helmholtz－Zentrum Hereon材料力学研究所与Formtech、Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung （ZAL）和Leuphana大学产品和工艺创新研究所Lüneburg合作进行的。ZAL拥有欧洲最大的商用激光冲击强化设备——能够在几分钟内处理5米×1米×1米和180公斤重的部件。

实验中，研究团队希望对钛合金激光喷孔成形的工艺参数及其对材料弯曲的影响进行全面的定性评估。他们使用脉冲激光照射钛合金零件样品的表面——其本身覆盖了一层保护性钢箔以产生等离子体，导致表面发生了小型爆炸。研究人员们通过材料表面的层状水流来限制爆炸，并以此产生向下渗透到材料中的压力波进一步达到弯曲材料的效果。最后，通过调整激光的参数他们就可以控制钛合金板发生的弯曲程度。

实验中使用的激光系统是Quantel公司定制设计的Nd：YAG 1064 nm激光器，能够产生5J脉冲，频率为10Hz，持续时间为10－20ns，光束剖面均一，截面为1×1mm2。结果他们发现，激光功率密度是影响板材弯曲变形的最关键因素之一。这一设置中激光强度相当于25GW／cm2，研究人员还计划进一步增加功率至10J脉冲。

研究团队还考虑了这种技术是否会遇到与超快激光纹理处理应用一样的批量生产方面的问题。Sala解释称：“目前处理一个20×20mm的正方形需要大约一分钟，所以处理1㎡的部件又必然需要更多的时间。超快激光在纹理处理应用方面，近期已经实现了平均功率的提高和多光束传输系统的成熟化，以实现更快的并行处理。”

未来，研究人员有可能使用多个激光器或者由扫描技术引导的激光器。据介绍，与目前使用的设置相比，这将影响脉冲与表面的相互作用。

工业应用面临严苛挑战

根据Sala的说法，为航空航天工业开展这项工作的最大挑战是其严苛的要求。由于绝对不能在任何零件上出现表面缺陷，实现关键过程的控制就显得尤为重要。这个过程中需要保护钢箔，并基于此实现非常好的表面光洁度。而在缺少钢箔保护的情况下，研究人员观察到在处理区域形成了1．5μm的氧化表面微裂纹，这增加了在疲劳载荷下零件失效的风险。

此外，与未使用保护箔时的残余应力不同，在使用保护箔时，激光喷丸后留在材料中的残余应力沿着材料的厚度穿透得相对更深，这意味着它们将比未使用保护箔处理的板材表现更好。

尽管激光喷丸在工业规模上的应用仍处于早期阶段，但它的应用已经吸引了包括海事和航空航天部门在内的众多工业部门的注意。

Sala举例称，LSP Technologies是在这些领域取得良好进展的商业公司之一。该公司一直在试验不同的应用，如纠正齿轮轴的变形，延长喷气发动机叶片的寿命，甚至处理海军作战舰艇上的铝板。该公司甚至与空客等公司合作，开发了一种便携式激光喷喷系统，用于对飞机上较难到达的区域进行维护。

他补充称：“虽然空客和汉莎技术公司等大型行业参与者目前正在试验这项技术，但在获得相关部门认证的一致、可靠的结果之前，他们可能希望保密，所以我们短期内无法得知他们的试验结果。”

另一方面，虽然激光喷孔成形确实为工业展示了巨大的前景，但该工艺在其适用性方面确实提出了一定的挑战，因为该工艺需要针对每个应用案例进行定制。未来，传统的流程优化策略可能会被最先进的人工智能或机器学习方法所取代，以实现最大程度的自动化。

总体而言，Sala认为，虽然激光喷丸不能完全取代传统的成形技术，但它确实显示了作为一种精确校正工艺的光明前景，并拥有巨大的经济潜力。