CN104862468B - 基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法，首先，Nd:YAG脉冲激光器进行等能量激光分束；然后，以流水作为约束层，采用渐变光斑搭接率正反同时冲击强化叶片根部，夹具固定涡轮叶片，采用高能量大光斑的脉冲激光以90％的搭接率双面同时冲击叶片根部最底层；当每一高度的冲击强化完成后，升降台下降一个光斑直径的高度，以前一次冲击搭接率减去10％的搭接率进行冲击；直至搭接率为0，完成叶片根部激光冲击强化。弥补了机械喷丸影响深度不够的缺点，采用渐变搭接率冲击叶片根部使残余应力场的分布变化趋于平缓；采用激光双面冲击的方式，避免单面激光冲击造成叶片的变形与破坏，同时冲击使叶片正反两面受力相同。

Description

基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法，属于表面工程技术与激光加工技术领域。

背景技术

激光冲击强化和喷丸强化技术都是一种在材料表层产生压应力、细化晶粒，从而提高金属构件疲劳强度的方法。但是喷丸强化的缺点是残余应力影响深度较小。激光冲击强化则利用短脉冲(ns)、高功率密(>1GW/cm2)的激光辐照，诱导形成等离子体高压(>1GPa)冲击波，作用在工件表面并向内部传播，材料发生高应变率动态响应，引起微观组织变化，在较深的厚度内产生残余压应力。因此，激光冲击强化效果较好。目前，激光冲击强化主要用于提高航空发动机关键构件关键部位的疲劳强度。

目前国内外对激光冲击强化合金的研究主要集中在靶材单面受冲的情况，而实际在现实生活中，尤其在发动机的叶片，螺旋桨的泵叶等零件上，由于裸露在外界，零部件的正反两面往往会同时受到各种恶劣工况的考验，为了避免疲劳断裂以及各种磨损、腐蚀等，可利用双面激光同时冲击靶材，避免单面激光冲击造成叶片的变形与破坏，为节约成本，可在零件关键部位进行双面冲击强化，比如叶片根部，叶片根部承受着相当大的离心力与高频振动，极易发生破坏。例如专利CN103014278A公开了一种以综合手段提高叶片疲劳强度的方法，但是此方法中激光冲击强化并非针对易损坏的区域即叶跟部位，强化效果不明显，并且由于采用单面冲击的方法，冲击部位变形较大；专利CN103146893A公开了一种激光冲击处理曲面的方法，对于曲面的加工根据电流的大小来调节，并对整体部件进行加工，工作量繁琐，并且工作时只有一个加工头，只能适合单面加工。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法，包括以下步骤：

1)Nd:YAG脉冲激光器进行等能量激光分束；

2)以流水作为约束层，采用渐变光斑搭接率正反同时冲击强化叶片根部，具体为：

2.1夹具固定涡轮叶片，采用高能量大光斑的脉冲激光以90％的搭接率双面同时冲击叶片根部最底层；

2.2当每一高度的冲击强化完成后，升降台下降一个光斑直径的高度，以前一次冲击搭接率减去10％的搭接率进行冲击；

2.3重复步骤2.2直至搭接率为0，完成叶片根部激光冲击强化。

进一步地，上述的基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法，其中，激光冲击路径为往复直线型或弓字形。

更进一步地，上述的基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法，其中，承载涡轮叶片的升降台下降高度根据激光光斑大小而定。

再进一步地，上述的基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法，将脉冲激光器进行等能量激光分束，分成两束，保证同时冲击在涡轮叶片对应的正反两面；

夹具固定涡轮叶片，叶片外部附着激光吸收材料，以流水作为约束层，脉冲激光以90％的搭接率双面同时冲击叶片根部的最底层，直至冲击光斑完全作用在吸收材料上为止；

升降台下降一个光斑直径的高度，采取80％的光斑搭接率双面同时作用在叶片上，直至冲击光斑完全作用在吸收材料上为止，激光冲击路径为往复直线型或弓字形；

升降台继续下降一个光斑直径的高度，以前一次冲击搭接率减去10％的搭接率进行冲击，直至激光光斑搭接率为0，完成激光冲击工艺，采用渐变的搭接率冲击使涡轮叶片表面属性平稳过渡。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①本发明激光冲击强化弥补了机械喷丸影响深度不够的缺点，采用渐变搭接率冲击叶片根部使残余应力场的分布变化趋于平缓；

②采用激光双面冲击的方式，避免单面激光冲击造成叶片的变形与破坏，同时冲击使叶片正反两面受力相同；

③冲击区域为涡轮叶片极易发生损坏的区域，节约成本，冲击过程可以实现自动化，精确可控。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：叶片根部渐变搭接冲击示意图。

图中各附图标记的含义为：1—涡轮叶片；2—搭接率为0的激光光斑；3—光斑冲击路径；4—搭接率为80％的激光光斑；5—搭接率为90％的激光光斑。

具体实施方式

如图1所示，基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的具体工艺为：

采用脉冲固体激光器，将脉冲激光器进行等能量激光分束，分成两束6j，光斑直径为4mm的激光束，保证同时冲击在涡轮叶片1对应的正反两面；

夹具固定涡轮叶片1，叶片外部附着激光吸收材料，以流水作为约束层，脉冲激光以搭接率为90％的激光光斑5双面同时冲击叶片根部的最底层，直至冲击光斑完全作用在吸收材料上为止；

升降台下降一个光斑直径的高度即4mm，采取搭接率为80％的激光光斑4双面同时作用在叶片上，直至冲击光斑完全作用在吸收材料上为止，光斑冲击路径3为往复直线型或弓字形；

升降台继续下降一个光斑直径的高度，以前一次冲击搭接率减去10％的搭接率进行冲击，直至激光光斑搭接率为0，即搭接率为0的激光光斑2，完成激光冲击工艺，采用渐变的搭接率冲击使涡轮叶片表面属性平稳过渡。

综上所述，本发明激光冲击强化弥补了机械喷丸影响深度不够的缺点，采用渐变搭接率冲击叶片根部使残余应力场的分布变化趋于平缓；采用激光双面冲击的方式，避免单面激光冲击造成叶片的变形与破坏，同时冲击使叶片正反两面受力相同；冲击区域为涡轮叶片极易发生损坏的区域，节约成本，冲击过程可以实现自动化，精确可控。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)Nd:YAG脉冲激光器进行等能量激光分束；

2)以流水作为约束层，采用渐变光斑搭接率正反同时冲击强化叶片根部，具体为：

2.1夹具固定涡轮叶片，采用高能量大光斑的脉冲激光以90％的搭接率双面同时冲击叶片根部最底层；

2.2当每一高度的冲击强化完成后，升降台下降一个光斑直径的高度，以前一次冲击搭接率减去10％的搭接率进行冲击；

2.3重复步骤2.2直至搭接率为0，完成叶片根部激光冲击强化。

2.根据权利要求1所述的基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法，其特征在于：激光冲击路径为往复直线型或弓字形。

3.根据权利要求1所述的基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法，其特征在于：承载涡轮叶片的升降台下降高度根据激光光斑大小而定。

4.根据权利要求1所述的基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法，其特征在于：将脉冲激光器进行等能量激光分束，分成两束，保证同时冲击在涡轮叶片对应的正反两面；

夹具固定涡轮叶片，叶片外部附着激光吸收材料，以流水作为约束层，脉冲激光以90％的搭接率双面同时冲击叶片根部的最底层，直至冲击光斑完全作用在吸收材料上为止；

升降台下降一个光斑直径的高度，采取80％的光斑搭接率双面同时作用在叶片上，直至冲击光斑完全作用在吸收材料上为止，激光冲击路径为往复直线型或弓字形；

升降台继续下降一个光斑直径的高度，以前一次冲击搭接率减去10％的搭接率进行冲击，直至激光光斑搭接率为0，完成激光冲击工艺，采用渐变的搭接率冲击使涡轮叶片表面属性平稳过渡。