基于激光冲击波横向膨胀效应狭长小孔激光喷丸强化基础研究

航空器件上紧固孔需要有抗疲劳、长寿命等特点，现有抗疲劳制造技术对狭长小孔强化面临局限性。本项目旨在探寻采用激光冲击波对小孔孔壁进行强化的原理和方法。拟以典型结构金属材料上的孔为研究对象，研究激光冲击波横向膨胀效应、冲击波和材料相互作用机制、孔壁周围残余应力的分布与释放、疲劳裂纹扩展与疲劳寿命。在理论分析基础上，建立激光冲击波横向膨胀的压力模型和残余应力分布特征模型，揭示残余应力场与激光参数及疲劳寿命之间的映射关系。并结合数值模拟和实验分析，改进和完善残余应力场等精确控制方法和理论，获取小孔激光喷丸强化延寿的关键技术。本项目的研究可以为小孔强化提供新的手段和相应的理论支持，在航空航天等行业中有着广泛的应用前景，潜在着很大的工程实用价值。

随着航空器向着长寿命、高可靠性方向发展，对其蒙皮件上紧固孔的抗疲劳性能的要求也越来越高，而传统的抗疲劳制造技术对孔的强化有着局限性。本项目围绕小孔的激光冲击强化理论和试验展开了研究，探讨了激光冲击波横向膨胀的规律，研究了应力波和材料相互作用机理，建立了残余应力分布的特征模型，预测了疲劳寿命和裂纹的扩展特性，探讨了孔的强化工艺。. 研究结果表明，在高温高压等离子体膨胀形成冲击波的过程中，其压力和温度快速衰减，约束层的使用减缓了激光冲击波压力和温度的下降速度，约束条件下冲击波对靶面的作用时间是无约束条件下作用时间的4.5倍。激光冲击波横向膨胀强化孔壁时，孔壁处的冲击波峰值压力波形呈高斯分布，并随着轴向压力的增加而增加，随孔径的增大而减少。冲击波在材料中诱导的应力波的峰值压力随着传播距离的增加而快速衰减。小孔孔壁的残余应力随着压力的增加而增加，随着冲击次数的增加而增加，随着孔径的减小而增加，且残余压应力的幅值具有饱和性。双面冲击强化既能在材料的两表面层诱导残余压应力，又能在其中心层诱导残余压应力。残余应力场分布形式与工件的厚度、冲击峰值压力和冲击次数等密切相关。激光冲击处理后形成的残余压应力能够改变疲劳裂纹源位置，大大推迟裂纹萌生时间，有效地降低裂纹的扩展速率，从而延长工件的疲劳寿命。采用有限元分析模拟技术能够预测试件的疲劳寿命和裂纹扩展行为。. 研究结果也表明，在实施多点冲击强化时，相邻光斑的冲击位置影响残余应力场的分布，光斑搭接率影响工件表面的残余应力场分布。随着搭接率的增加，冲击区残余压应力的幅值也随之增加，其本质是搭接区受到冲击次数的增加，是多次冲击形成的残余压应力累加结果。采用先强化后钻孔的工艺要优于先钻孔后强化的工艺。. 本项目的实施为小孔冲击强化的实际应用奠定了基础，丰富了已有的孔强化的理论和工艺。同时，为研究激光辐照在非平面上诱导的冲击波及其在半封闭区域内压力的演化提供了参考，也为探寻金属变径管的激光冲击波冲击成形提供了技术支持。