摘要：30CrMnSiNi2A高强钢以其高强度、良好的塑性和韧性，被广泛应用于连接件、轴类等关键承载部件，在航空领域以飞机起落架的应用尤为突出。然而，这种材料在使用中容易产生局部损伤和微裂纹，激光熔覆（LC）作为一种修复技术虽然能够还原产品原始形貌，但引入的热应力会
激光之研 长三角G60激光联盟陈长军转载
探索激光技术的多元应用与前沿进展
今天学习激光冲击强化+激光熔覆复合技术在飞机起落架修复的应用。
01
应用背景
30CrMnSiNi2A高强钢以其高强度、良好的塑性和韧性，被广泛应用于连接件、轴类等关键承载部件，在航空领域以飞机起落架的应用尤为突出。然而，这种材料在使用中容易产生局部损伤和微裂纹，激光熔覆（LC）作为一种修复技术虽然能够还原产品原始形貌，但引入的热应力会使得材料力学性能有所下降。激光冲击强化（LSP）作为一种表面强化技术，通过引入残余压应力和细化晶粒来改善激光熔覆后的性能，目前这种组合工艺还比较新颖，对于解决实际工程问题有一定参考作用。
此研究设计了两种不同的强化工艺进行对比：
工艺1：先对基材待修复区域进行激光冲击强化，然后进行激光熔覆，最后对表面再次进行激光冲击强化，即LSP+LC+LSP。工艺2：仅对激光熔覆后的表面进行激光冲击强化，即LC+LSP。这种对比实验设计很巧妙，能够揭示LSP在修复过程中的不同作用阶段对材料性能的影响，尤其是凹槽预处理LSP的引入，为高质量修复提供了新思路。
*激光冲击强化示意图
*激光冲击强化导致塑性应变
02
关键实验参数
材料与工艺参数
基体与粉末：均为30CrMnSiNi2A，化学成分C:0.27-0.34%；Cr:0.9-1.2%；Ni:1.4-1.8%。
激光熔覆参数：
功率0.8kW，扫描速度8mm/s，搭接率50%，Ar保护。
激光冲击强化参数：
凹槽LSP：能量2J，光斑2mm，功率密度3.18GW/cm²。表面LSP：能量3J，光斑2.2mm，功率密度3.95GW/cm²，采用更高能量以调控深层应力。*激光熔覆、激光冲击强化及力学性能测试样品
*截面显微组织测试取样：a）横截面；b）纵截面
*EBSD和TEM取样位置
03
核心创新：凹槽LSP+表面LSP
为什么对凹槽进行LSP
①凹槽区域是熔覆层与基体的结合界面，传统激光熔覆这里容易因热应力产生微裂纹。
②LSP预处理：用2J激光能量轰击凹槽，此时功率密度为3.18GW/cm²，诱导高密度位错和细晶层，后续熔覆时热应力被压缩应力抵消，提高界面结合强度。
③防变形：凹槽LSP能量较低，可避免高能冲击导致基体翘曲，影响熔覆精度。
表面LSP后处理
用3J能量轰击熔覆层表面，此时功率密度为3.95 GW/cm²，有两个目的：
①增大压应力场深度：残余压应力层深度>1mm，普通喷丸仅0.2-0.5mm，抑制裂纹萌生。
②表面晶粒纳米化：冲击波将30-40μm的柱状奥氏体压成4-8μm的等轴晶，位错密度显著增大，硬度达到800HV₀.₂。
有无凹槽LSP
无凹槽预处理时，熔覆层与基体界面仍是弱点，断口多孔。有凹槽LSP的试样断口致密，韧窝深度接近基体，说明界面结合质量提升显著。*LC+表面LSP样品的拉伸断口
*凹槽LSP+LC+表面LSP样品的拉伸断口
*激光熔覆样品SEM：a) 全局图；b）经LSP处理；c) 未经LSP处理；d) 熔覆层与热影响区结合处
*激光熔覆样品EBSD
*激光熔覆样品TEM：a）LSP处理；b）形变孪晶；c）位错缠结；d）LSP区域的板条马氏体；e）未处理区域；f）未处理区域的板条马氏体
04
如何复现该工艺？
第一步：基体预处理
铣削出梯形凹槽，深度根据损伤尺寸来定，用砂纸打磨至Ra
凹槽LSP：确保激光光斑50%重叠扫描，能量2J/脉冲，避免局部过热，可先做单点冲击试验，观察表面是否烧蚀。
第二步：激光熔覆
粉末预处理：100℃-110℃真空干燥约1小时，防止送粉堵塞，尤其湿度高的地区。
层间温度控制：每层熔覆后风冷至约150-200℃，防止热积累导致奥氏体过度粗化。
第三步：表面LSP
参数测试：先用3J单脉冲冲击熔覆层表面，检测硬度梯度，若1mm深度硬度未达标，则上调至单脉冲能量。
覆盖率验证：金相观察LSP的影响区是否连续，若有未覆盖区域，则调整光斑重叠率。
05
工程应用思考
此研究提出了激光冲击强化+激光熔覆强化工艺，通过LSP的“先锤基体，再锤表面”策略，系统性解决了激光熔覆高强钢的力学性能衰减问题，优势明显。但有几点需要注意：
①设备成本：需要两套激光系统，熔覆用IPG YLS-2000，LSP用Nd:YAG，小厂可能用不起。
②工艺适应性：熔覆层厚度不均会导致LSP穿透深度波动；复杂曲面的LSP覆盖率和冲击角度难控制。
③高温环境下，细晶组织和位错结构可能发生回复，导致强化效果衰减。
总的来说，此方法适合高附加值、小批量产品修复。
以上。
引用
1.Wang, L., Yu, K., Cheng, X. et al. Effect of laser shock peening on microstructure and mechanical properties of laser cladding 30CrMnSiNi2A high-strength steel. Sci Rep 13, 9971 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37060-w
2.Cao, X.; Wu, J.; Zhong, G.; Wu, J.; Chen, X. Laser Shock Peening: Fundamentals and Mechanisms of Metallic Material Wear Resistance Improvement. Materials 2024, 17, 909. https://doi.org/10.3390/ma17040909
长三角G60激光联盟陈长军转载
热忱欢迎参加我们在2025年5-27-29日举办的两机展和激光在两机（飞机发动机和燃气轮机）中的应用大会
来源：江苏激光联盟