此前，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院開(kāi)發(fā)出了一種工藝技術(shù)，可顯著減少選區(qū)激光熔化（SLM）期間金屬部件發(fā)生開(kāi)裂的問(wèn)題。研究人員稱(chēng)，這項(xiàng)技術(shù)為生產(chǎn)具有耐高溫、抗損壞、抗腐蝕能力的金屬部件解決了關(guān)鍵技術(shù)難題。

在選區(qū)激光熔化期間，強(qiáng)大的激光能量將金屬粉末熔化融合在一起，并逐層構(gòu)建出3D組件。然而，一些金屬和合金無(wú)法承受選區(qū)激光熔化過(guò)程中的高溫變化，其結(jié)果是結(jié)構(gòu)件發(fā)生開(kāi)裂。

■圖片來(lái)源：瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院熱機(jī)械冶金實(shí)驗(yàn)室的研究人員描述了他們的解決方法，即如何在3D打印過(guò)程中快速“修復(fù)”裂縫，該方法是在增材制造過(guò)程中每隔幾層就進(jìn)行一次激光處理。這種被稱(chēng)為“激光沖擊強(qiáng)化”（laser shock peening）的處理方法，是通過(guò)周期性將高強(qiáng)度激光脈沖引導(dǎo)到正在構(gòu)建的部件上來(lái)工作的。它充當(dāng)高能光子“錘子”，通過(guò)材料發(fā)送沖擊波。

該工藝方法需要使用兩臺(tái)激光器，第一臺(tái)負(fù)責(zé)熔化金屬粉末并加熱已經(jīng)熔化的材料，第二臺(tái)則在目標(biāo)位置部件中產(chǎn)生應(yīng)力以“修復(fù)”裂縫。研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Roland Logé表示，激光沖擊強(qiáng)化過(guò)去通常只用于表面處理，但在我們的案例中它成為了一種可以實(shí)現(xiàn)批量處理的工藝，因?yàn)樗�在材料�?nèi)部以3D方式運(yùn)行。

研究人員發(fā)現(xiàn)，“激光沖擊強(qiáng)化”能夠消除鎳基合金中高達(dá)95%的裂紋。之后，他們還計(jì)劃將該方法用于其他對(duì)裂紋敏感的合金材料。Roland Logé同時(shí)提到，這種混合3D打印方法的應(yīng)用遠(yuǎn)不止消除裂縫，其他潛力還有待開(kāi)發(fā)。

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是利用強(qiáng)激光束產(chǎn)生的等離子沖擊波，提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術(shù)。具有非接觸、無(wú)熱影響區(qū)、可控性強(qiáng)以及強(qiáng)化效果顯著等突出優(yōu)點(diǎn)。

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)最初開(kāi)發(fā)于1970年代初的美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室。1972年美國(guó)巴特爾學(xué)院的Fairand B.P.等人首次用高功率脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波來(lái)改變7075鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)組織以提高其機(jī)械性能，從此揭開(kāi)了用激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用研究的序幕。

1978年秋，該實(shí)驗(yàn)室的Ford S.C等人與美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合進(jìn)行激光沖擊改善緊固件疲勞壽命的研究，結(jié)果表明激光沖擊強(qiáng)化可大幅度提高緊固件的疲勞壽命。當(dāng)時(shí)由于缺少可靠的、高脈沖頻率的大功率激光器而未能實(shí)用化。

■激光沖擊強(qiáng)化工作原理

1980年代后期，歐洲、日本、以色列等國(guó)家和地區(qū)紛紛開(kāi)展了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究。但到目前為止，國(guó)際上還只有美國(guó)將激光沖擊強(qiáng)化實(shí)際應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。美國(guó)空軍為提高激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)效率做出了很大的努力，設(shè)置了四個(gè)重要的制造技術(shù)計(jì)劃，取得了許多重要進(jìn)展，解決了提高激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)效率和可移動(dòng)式生產(chǎn)等工業(yè)應(yīng)用問(wèn)題。

2002年以來(lái)，美國(guó)已將激光沖擊強(qiáng)化大規(guī)模用于航空部件的制造和修理中，例如美國(guó)MIC公司將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)用于軍民用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片以改善其疲勞壽命，不但提高了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠性，而且每月可節(jié)約飛機(jī)保養(yǎng)費(fèi)幾百萬(wàn)美元、節(jié)約零件更換費(fèi)幾百萬(wàn)美元。預(yù)計(jì)僅僅戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的處理，就能節(jié)約成本超過(guò)10億美元。

美國(guó)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化有一個(gè)發(fā)展過(guò)程，如在初步應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對(duì)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)存在的問(wèn)題，美國(guó)空軍組織了LSPT、P&W、GEAE和UTC等公司進(jìn)行了多個(gè)制造技術(shù)計(jì)劃。提出了快速涂層的RapidCoater技術(shù)，研制了先進(jìn)的控制和監(jiān)控技術(shù)以提高其工作可靠性和可重復(fù)性，成本至少降低了50%-70%，增加產(chǎn)量6-9倍。

國(guó)內(nèi)外的研究均表明，激光沖擊強(qiáng)化對(duì)各種鋁合金、鎳基合金、不銹鋼、鈦合金、鑄鐵以及粉末冶金等均有良好的強(qiáng)化效果，除了在航空工業(yè)具有極好的應(yīng)用前景外，在汽車(chē)制造、醫(yī)療衛(wèi)生、海洋運(yùn)輸和核工業(yè)等都有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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