激光沖擊強化+激光熔覆：飛機起落架修復的創新解決方案

    在航空領域，飛機起落架的修復一直是一個關鍵問題。30CrMnSiNi2A高強鋼因其高強度、良好的塑性和韌性，被廣泛應用于飛機起落架等關鍵承載部件。然而，這種材料在使用過程中容易產生局部損傷和微裂紋。傳統的激光熔覆技術雖然能夠還原產品原始形貌，但會引入熱應力，導致材料力學性能下降。為了解決這一問題，激光沖擊強化（LSP）與激光熔覆（LC）的復合技術應運而生。

原理圖

    一、技術原理與實驗設計

    （一）技術原理

    激光沖擊強化是一種表面強化技術，通過高能量激光束轟擊材料表面，產生巨大的沖擊壓力，使材料表面產生殘余壓應力并細化晶粒，從而提高材料的力學性能。激光熔覆則是一種修復技術，利用激光束將粉末材料熔化并沉積在待修復區域，恢復產品尺寸。

    （二）實驗設計

    本研究設計了兩種不同的強化工藝進行對比：

    1.工藝1：先對基材待修復區域進行激光沖擊強化，然后進行激光熔覆，最后對表面再次進行激光沖擊強化，即LSP+LC+LSP。

    2.工藝2：僅對激光熔覆后的表面進行激光沖擊強化，即LC+LSP。

    二、關鍵實驗參數

    （一）材料與工藝參數

    基體與粉末均為30CrMnSiNi2A，化學成分明確。激光熔覆參數為功率0.8kW，掃描速度8mm/s，搭接率50%，Ar保護。激光沖擊強化參數分為凹槽LSP和表面LSP兩種，能量分別為2J和3J，光斑分別為2mm和2.2mm，功率密度分別為3.18GW/cm2和3.95GW/cm2。

    三、核心創新：凹槽LSP+表面LSP

    （一）凹槽LSP的作用

    凹槽區域是熔覆層與基體的結合界面，傳統激光熔覆容易因熱應力在此處產生微裂紋。通過2J激光能量轟擊凹槽，誘導高密度位錯和細晶層，后續熔覆時熱應力被壓縮應力抵消，提高界面結合強度。同時，凹槽LSP能量較低，可避免高能沖擊導致基體翹曲，影響熔覆精度。

    （二）表面LSP的作用

    表面LSP后處理用3J能量轟擊熔覆層表面，有兩個目的：一是增大壓應力場深度，殘余壓應力層深度超過1mm，有效抑制裂紋萌生；二是使表面晶粒納米化，沖擊波將30-40μm的柱狀奧氏體壓成4-8μm的等軸晶，位錯密度顯著增大，硬度達到800HV?.?。

    四、工藝復現步驟

    （一）基體預處理

    1.銑削出梯形凹槽，深度根據損傷尺寸確定。

    2.用砂紙打磨至Ra<1.6μm，丙酮清洗去油。

    3.進行凹槽LSP，確保激光光斑50%重疊掃描，能量2J/脈沖，避免局部過熱。

    （二）激光熔覆粉末預處理

    1.將粉末在100℃-110℃真空干燥約1小時，防止送粉堵塞。

    2.控制層間溫度，每層熔覆后風冷至約150-200℃，防止熱積累導致奧氏體過度粗化。

    （三）表面LSP參數測試

    1.先用3J單脈沖沖擊熔覆層表面，檢測硬度梯度。

    2.若1mm深度硬度未達標，則上調單脈沖能量。

    3.通過金相觀察LSP的影響區是否連續，若有未覆蓋區域，則調整光斑重疊率。

    五、工程應用思考

    該復合工藝系統性解決了激光熔覆高強鋼的力學性能衰減問題，顯著提高了修復質量。然而，在應用中也需要注意以下幾點：

    1.設備成本：需要兩套激光系統，熔覆用IPGYLS-2000，LSP用Nd:YAG，小廠可能難以承擔。

    2.工藝適應性：熔覆層厚度不均會導致LSP穿透深度波動；復雜曲面的LSP覆蓋率和沖擊角度難控制。

    3.高溫環境影響：高溫環境下，細晶組織和位錯結構可能發生回復，導致強化效果衰減。

    激光沖擊強化+激光熔覆復合技術在飛機起落架修復中具有顯著優勢，適合高附加值、小批量產品修復。隨著技術的進一步發展和成本的降低，該技術有望在更多激光加工設備領域得到廣泛應用。