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

在選區(qū)激光熔化期間，強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，一些金屬和合金無法承受選區(qū)激光熔化過程中的高溫變化，其結(jié)果是結(jié)構(gòu)件發(fā)生開裂。

■圖片來源：瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院

洛桑聯(lián)邦理工學院熱機械冶金實驗室的研究人員描述了他們的解決方法，即如何在3D打印過程中快速“修復”裂縫，該方法是在增材制造過程中每隔幾層就進行一次激光處理。這種被稱為“激光沖擊強化”（laser shock peening）的處理方法，是通過周期性將高強度激光脈沖引導到正在構(gòu)建的部件上來工作的。它充當高能光子“錘子”，通過材料發(fā)送沖擊波。

該工藝方法需要使用兩臺激光器，第一臺負責熔化金屬粉末并加熱已經(jīng)熔化的材料，第二臺則在目標位置部件中產(chǎn)生應力以“修復”裂縫。研究團隊負責人Roland Logé表示，激光沖擊強化過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現(xiàn)批量處理的工藝，因為它在材料內(nèi)部以3D方式運行。

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

激光沖擊強化技術

激光沖擊強化技術是利用強激光束產(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。具有非接觸、無熱影響區(qū)、可控性強以及強化效果顯著等突出優(yōu)點。

激光沖擊強化技術最初開發(fā)于1970年代初的美國貝爾實驗室。1972年美國巴特爾學院的Fairand B.P.等人首次用高功率脈沖激光誘導的沖擊波來改變7075鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)組織以提高其機械性能，從此揭開了用激光沖擊強化應用研究的序幕。

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

■激光沖擊強化工作原理

1980年代后期，歐洲、日本、以色列等國家和地區(qū)紛紛開展了激光沖擊強化技術研究。但到目前為止，國際上還只有美國將激光沖擊強化實際應用。進入21世紀，激光沖擊強化技術應用取得了長足進展。美國空軍為提高激光沖擊強化生產(chǎn)效率做出了很大的努力，設置了四個重要的制造技術計劃，取得了許多重要進展，解決了提高激光沖擊強化生產(chǎn)效率和可移動式生產(chǎn)等工業(yè)應用問題。

2002年以來，美國已將激光沖擊強化大規(guī)模用于航空部件的制造和修理中，例如美國MIC公司將激光沖擊強化技術用于軍民用噴氣發(fā)動機葉片以改善其疲勞壽命，不但提高了飛機發(fā)動機的安全可靠性，而且每月可節(jié)約飛機保養(yǎng)費幾百萬美元、節(jié)約零件更換費幾百萬美元。預計僅僅戰(zhàn)斗機發(fā)動機葉片的處理，就能節(jié)約成本超過10億美元。

美國對激光沖擊強化有一個發(fā)展過程，如在初步應用的基礎上，針對激光沖擊強化技術存在的問題，美國空軍組織了LSPT、P&W、GEAE和UTC等公司進行了多個制造技術計劃。提出了快速涂層的RapidCoater技術，研制了先進的控制和監(jiān)控技術以提高其工作可靠性和可重復性，成本至少降低了50%-70%，增加產(chǎn)量6-9倍。

國內(nèi)外的研究均表明，激光沖擊強化對各種鋁合金、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化效果，除了在航空工業(yè)具有極好的應用前景外，在汽車制造、醫(yī)療衛(wèi)生、海洋運輸和核工業(yè)等都有潛在的應用價值。