激光冲击强化技术在核电领域的研究进展.pdf
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1、Citation format:CAI Zhenbing,ZHOU Longlong,YU Yanqing,et al.Research progress of laser shock peening technology in nuclear power equipmentJJ.引用格式:蔡振兵,周龙龙,俞延庆,等激光冲击强化技术在核电领域的研究进展 中国表面工程,2 0 2 4,37(1):41-58.Feb.CHINASURFACEENGINEERING20242024年2 月Vol.37No.1面国中表第37 卷第1期程doi:10.11933/j.issn.1007-9289.202
2、30403003激光冲击强化技术在核电领域的研究进展蔡振兵1周龙龙1俞延庆1方修洋1余施佳1周留成何卫锋李国杰3何艳磊3(1.西南交通大学摩擦学研究所成都610031;2.空军工程大学等离子体动力学重点实验室西安710038;3.西安天瑞达光电技术股份有限公司西安710077)摘要:激光冲击强化技术属于改善金属性能的重要表面形变强化技术,因其独特的技术优势在航天及船舶领域获得广泛应用。随着科技的发展研发出多种激光冲击强化技术,并逐渐开始在核电装备领域获得应用,然而针对该技术在核电领域的研究进展缺乏系统的综述。先通过介绍不同表面形变强化技术,叙述激光冲击强化技术的发展,阐述激光冲击强化机制,最后
3、综述激光冲击强化技术在核电领域的应用研究进展。总结发现,激光冲击强化技术可有效改善核电领域材料力学、摩擦磨损及腐蚀性能,但传统和添加辅助手段激光冲击强化技术受约束层和吸收层影响较大,无涂激光冲击强化技术对金属易产生热效应,飞秒激光冲击强化影响层浅且强化效果差,不同工艺技术在核电领域提升摩擦磨损性能研究较少。对不同工艺激光冲击强化机理及在核电领域材料不同性能的提升进行深入研究,为进一步提升激光冲击强化技术在核电领域材料的应用提供理论基础,可为核电领域关键装备进行强化、提升核电装备运行寿命提供参考。关键词:激光强化;核电装备;摩擦磨损;腐蚀;极端环境;先进制造;中图分类号:TN249Researc
4、h Progress of Laser Shock Peening Technology inNuclear Power EquipmentCAI ZhenbingZHOU LonglongYU YanqingFANG Xiuyang1YU Shijia lZHOU LiuchengHE WeifengLI Guojie 3I22HEYanlei3(1.Tribology Research Institute,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.Science and Technology on Plasma Dynamic
5、 Laboratory,Air Force Engineering University,Xian 710038,China;3.Xi an Tyrida Optical Electric Technology Co.,Ltd.,Xi an 710077,China)Abstract:Nuclear power is an effective method of generating electricity to address energy shortages and environmental degradation.However,nuclear power safety has bee
6、n a lifeline for the development of nuclear energy.Materials in nuclear power fields remain inextreme environments and operate under complex stress states.Surface-strengthening technology is currently an important means ofenhancing the life of nuclear power equipment materials.Among them,surface def
7、ormation strengthening technology is consideredone of the most ideal strengthening methods owing to its advantages of not introducing new materials and the high bonding strength基金项目:国家重点研发项目(2 0 2 2 YFB3401901);四川省科技项目(2 0 2 2 ZYD0029,2 0 2 2 JD JQ 0 0 19)。Fund:National Key Research and Development
8、Program of China(2022YFB3401901);Science and Technology Program in Sichuan Province(2022ZYD0029,2022JDJQ0019).收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 3:修改日期:2 0 2 3-0 7-0 6;接受日期:2 0 2 3-0 9-11:上线日期:2 0 2 3-12-15。Received April 3,2023;Revised July 6,2023;Accepted in revised form September 11,2023;Available online Decembe
9、r 15,2023.China Surface Engineering,2024,37(1):41-58.42面表中程2024年国of the membrane base.The most widely used surface deformation strengthening technologies with high maturity include shot peening,rolling,and laser shock peening.Laser shock peening has the advantages of a precise and controllable proce
10、ss,a small effect on themetal surface roughness,no pollution,and a deeper impact layer.To reduce the limitations of its applications,laser shock peening hasbeen developed without coating and femtosecond laser shock peening by simplifying the process.In comparison,the impact layerobtained by conventi
11、onal laser shock peening was deeper,but the surface roughness was the highest.Laser shock peening withoutcoating has a relatively small effect on the surface roughness of the metal but produces thermal effects,forming holes and cracks.Femtosecond laser shock peening has the smallest effect on the su
12、rface roughness but has the shallowest impact layer.Warm lasershock peening,cryogenic laser shock,and electric pulse-assisted laser shock peening have been developed to improve thisstrengthening effect.Through this review,it was deduced that auxiliary means to enhance the strengthening effect are ma
13、inly used intraditional laser shock peening.There has been no targeted research on improving the effect of laser shock peening without coating orfemtosecond laser shock peening.The mechanism of laser shock peening is mainly related to the stacking fault energy of the material.The low stacking fault
14、energy metal grain refinement mechanism is dominated by deformation twinning.The high stacking faultenergy metal grain refinement mechanism was dominated by the dislocation slip.Currently,the application of nuclear power fields isprimarily for basic research on nuclear power materials.Two different
15、strengthening mechanisms are used to improve the mechanicalproperties of materials commonly used in nuclear power generation.One is the enhancement of the material hardness caused by grainrefinement.The other is not grain refinement but a large number of dislocations owing to the material hardness e
16、nhancement.Theimprovement in the wear and corrosion resistance of materials commonly used in nuclear power generation is mainly due to grainrefinement and the generation of large residual compressive stresses on the material surface.Through this review,it was deduced thatthe current research mainly
17、focuses on the in-depth theoretical study of materials and less on the application of practical components.The effects of different processes of laser shock peening on the material performance improvement mechanism are not clear enough,and still need to be coupled with experiments and simulations to
18、 verify and reveal the strengthening mechanism.This paper mainlyreviews research progress in the field of nuclear power and provides an outlook on the future development direction of laser shockpeening in the field of nuclear power to provide a solid theoretical foundation for the laser shock peenin
19、g with the aim of improvingthe application of laser shock peening in the field of nuclear power.Keywords:laser shock peening;nuclear power;friction and wear;corrosion;extreme environment;advanced manufacturing1前言核电是一种清洁、环保、低耗的新能源,是当前解决能源短缺和环境恶化双重压力的有效发电方式。自19 51年12 月美国首次成功使用核能发电以来,世界核电站发展经历了开发、发展、受阻
20、、复苏四个阶段 2-4。截至2 0 19 年核能发电量占全球总发电量约10%,占低碳发电量1/3 5。近年来,随着我国的科技发展,秉持可持续发展战略,2 0 19年全年发电量占全国发电量4.8 8%。2 0 2 2 年,我国在运核电机组54台,在建2 3台,处于全球领先地位 5-6 虽然核电能解决能源短缺和环境恶化问题,但核电站核安全仍是发展核能的前提和生命线,19 9 7年美国三哩岛核事故、19 8 6 年苏联切尔诺贝利核事故及2 0 11年日本福岛核事故向各国敲响了警钟 7 。由于核电领域材料多在极端环境和复杂受力状态下工作,材料的磨损和腐蚀失效严重 8-10 ,通过表面改性提高金属耐腐耐
21、磨性成为国内外持续关注的热点1-12 。针对核电领域材料的磨损和腐蚀失效,国内外学者研究发现可通过表面改性提升材料性能。MAIER等 13 通过冷喷涂技术在燃料包壳管表面制备Ti2AIC涂层,显著提高燃料包壳管的耐腐蚀性和耐磨性。DABNEY等 14 通过制备FeCrAI涂层,发现该涂层相较于燃料包壳管基体耐磨性提高了34倍。周大勇等 15 采用激光合金化在Inconel625合金表面制备出WC-TiC合金化层,耐磨性提升4.1倍。综上所述,通过引入涂层可以改善核电领域材料耐磨和耐腐蚀性,提高材料使用寿命。但膜基结合性一直是阻碍涂层技术应用的关键,因此采用表面形变强化技术提升核电领域材料使用寿
22、命成为国内外研究热点 16-17 。表面形变强化具有不引入其他材料、膜基结合强度高等优势,是目前被认为最理43蔡振兵,等:激光冲击强化技大核电领域的研究进展第1期想的强化手段之一。2表面形变强化技术随着科技的发展,表面形变强化技术在实际中逐渐得到应用 18-19 。目前研究、讨论、应用最广的包括喷丸(Shotpeening,SP)、滚压(Rolling)、激光冲击强化(Laser shockpeening,L SP)等技术,其原理是通过在材料表面引入残余压应力,形成硬化层,细化表面和近表面晶粒,协同作用改善金属各项性能 2 0-2 ,喷丸强化是采用球形弹丸高速撞击金属表面,引入残余压应力,使金
23、属表面形成一定厚度的强化层,以达到金属强化的技术 2 0.2 3,加工示意图如图1a所示。滚压强化原理是利用滚轮对金属表面进行滚压,使金属表面发生塑性变形,填充金属表面因加工工艺而存在的凹陷中,从而降低金属表面粗糙度,消除凹陷产生的应力集中,引入残余压应力,进而提升金属的各项性能 2 42 5,其原理示意图如图1b所示。在传统喷丸和滚压的基础上,延伸出微喷丸 2 6 、强力喷丸 2 7 、超声滚压 2 8 、超声振动滚压 2 9 等多种强化技术。目前,喷丸强化和滚压强化广泛应用在航空航天、核电站及船舶领域。但两种强化技术的劣势也尤为突出。喷丸强化技术噪声大;会对环境造成粉尘污染;受弹丸直径的大
24、小的影响,易造成强化层不均且不能有效撞击精密零件表面。滚压强化技术一般只适合平面和回转体零件,对于结构复杂的精密零件难以实现强化加工。激光冲击强化原理是利用高能脉冲激光束辐照金属表面,金属表面涂覆的吸收层快速吸收激光能量,发生等离子体气化,形成的等离子体团进一步吸收激光能量,形成更大压强的等离子团,在约束层的作用下发生爆炸,生成等离子体冲击波,使金属表面发生塑性变形,引起晶格位错、晶粒细化等,在表面产生残余压应力,从而实现金属的表面强化 30,其工作原理示意图如图1c所示。与喷丸和滚压技术相比,激光冲击强化技术具有以下几点独特的优势:激光光斑大小和作用点精确可控,加工复杂结构零件精度更高;激光
25、冲击强化诱导金属表面塑性变形,对金属表面的粗糙度影响较小,对加工薄壁件更有优势;激光技术是一种新型环境友好型技术,在加工过程中对环境无污染;激光冲击强化可以引入更深硬化层及更大幅值的残余压应力 31。Surface(a)Shock peeningFreeSurfacerolling(b)RollingSurfaceAbsorbingConfininglayerlayer(c)Laser shock peening图1几种典型表面形变强化技术示意图Fig.1 Schematic diagram of some surfacedeformation strengthening technology
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