CN113075066A - 激光强化叶片边缘性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光强化叶片边缘性能测试方法，S1：叶片边缘激光冲击强化；S2：在叶片边缘处制作缺口；S3：判断缺口深度是否达到叶片所需的最大深度，若达到或超过最大深度，则执行步骤S7，若未超过最大深度，则执行步骤S4；S4：对叶片边缘缺口处进行受迫振动疲劳试验，并设定疲劳循环次数；S5：叶片疲劳试验通过所要求的循环次数，则增大缺口深度，重复步骤S3，若疲劳试验未通过所要求的循环次数，则执行步骤S6；S6：更换叶片，优化激光冲击强化的参数，并对更换后的叶片边缘激光冲击强化，执行步骤S2；S7：停止疲劳试验；本发明激光强化工艺与疲劳试验相结合，可以在某一缺口深度时通过不同的强化工艺，达到所要求的疲劳寿命，或者是在同一强化工艺条件下，获得叶片可以承受的最大缺口深度。
Description
技术领域
本发明涉及机械制造技术领域，特别涉及一种激光强化叶片边缘性能测试方法。
背景技术
航空发动机、地面燃气轮机和风机等高速旋转的叶轮机械中，旋转叶片或整体叶盘是其重要的部件，叶片高速旋转压缩气体做功。在叶轮机械工作过程中，高速的旋转和振动在叶片中产生较大的应力，该应力是随着工作状态，如转速、气流等的变化而变化的，从而容易诱发疲劳裂纹，甚至破坏。尤其是一些随着气流运动的物体，如沙子、石头、金属小块等进入到叶轮机械的流道中，可能冲击到叶片上，形成缺口。缺口的出现改变叶片的应力场分布，增大应力的幅值，叶片边缘的缺口将会严重降低其疲劳寿命。因此，在受到损伤后对整体叶盘或者叶片的更换费时费力，代价高昂；因此，提升叶片疲劳强度尤为重要。
在不改变叶片材料、结构和尺寸等前提条件下，激光冲击强化、喷丸、低塑性滚光等表面改性方法已经被试验证明可显著提升金属材料的疲劳强度。激光冲击技术采用脉冲宽度为数纳秒的高能激光辐照在材料表面，通过黑色的吸收保护层吸收激光的能量，瞬间形成高压等离子体，进一步通过约束层(通常为水)提升等离子体的压力，形成一道冲击波向材料内部传播，经过冲击波的一次或者多次反复作用，使得材料性能提升。激光冲击强化的方法已经在叶轮机械的转子叶片上得到了应用，可以提高叶片的疲劳强度或者耐磨性能等。
在激光冲击强化后，除了测试表层的硬度、残余应力以外，通常需要采用疲劳试验的方法验证强化效果，获得在交变载荷作用下材料抵抗破坏的能力。对疲劳性能的强化效果考核目前主要是采用拉伸或者振动疲劳的试验方法。而目前的发动叶片疲劳试验主要是在振动台上完成，往往需要数十件叶片才能得到比较好的数据，每个叶片试验时间较长，全部完成试验耗时长达数月。对于缺口疲劳来说，由于叶片缺口形状、尺寸变化大，缺口疲劳试验的工作量更加复杂。另一个方面，叶片振动疲劳的考核部位只能位于一阶弯曲节线，由于缺口位置及尺寸的变化使得叶片的固有频率和振型发生改变，试验设计十分复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种激光强化叶片边缘性能测试方法，采用激光冲击强化等表面改性方法以后，通过试验快速得到叶片边缘缺口部位的疲劳性能，从而可以进一步优化激光冲击强化等工艺及参数。
本发明的激光强化叶片边缘性能测试方法，包括以下步骤：
S1：叶片边缘激光冲击强化；
S2：在叶片边缘处制作缺口；
S3：判断缺口深度是否达到叶片所需的最大深度，若达到或超过最大深度，则执行步骤S7，若未超过最大深度，则执行步骤S4；
S4：对叶片边缘缺口处进行受迫振动疲劳试验，并设定疲劳循环次数；
S5：叶片疲劳试验通过所要求的循环次数，则增大缺口深度，重复步骤S3，若疲劳试验未通过所要求的循环次数，则执行步骤S6；
S6：更换叶片，优化激光冲击强化的参数，并对更换后的叶片边缘激光冲击强化，执行步骤S2；
S7：停止疲劳试验；
进一步，所述叶片缺口通过线切割方式制作。
进一步，增大后的缺口深度为前述缺口深度的1.2-1.6倍。
进一步，初始缺口深度为0.1-0.3mm。
进一步，疲劳试验的循环次数不小于106次。
进一步，所述步骤S6中优化激光冲击强化的参数包括增大功率密度以及增加光斑覆盖率。
本发明的有益效果：
本发明激光强化工艺与疲劳试验相结合，可以在某一缺口深度时通过不同的强化工艺，达到所要求的疲劳寿命，或者是在同一强化工艺条件下，获得叶片可以承受的最大缺口深度；缺口位置不变化但缺口依次加深，利于提高强化叶片缺口部位的应力的一致性，并有效提高试验效率；且同一个叶片可直到破坏可以产生一个或者多个数据，且各个数据均有效，可获得叶片不同缺口的性能，利于获得不同表面状态以及不同缺口深度的对比效果，提高工艺优化指导作用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为叶片结构示意图；
图2为叶片激光强化光斑分布结构示意图；
图3为振动试验结构示意图；
具体实施方式
现有的叶片疲劳试验主要是在振动台上完成，由于缺口位置和尺寸的变化，导致振动台激振叶片的频率发生改变，强化叶片缺口部位的应力的一致性控制难度大；随之而来的是频率和振型的改变，使得最大应力部位随之发生变化，导致疲劳损伤往往不在缺口处产生，而在应力最大的其他部位产生，试验数据无效；现有的试验方法直到叶片破坏才产生一个数据，且该数据不一定可靠，且无法获得叶片不同缺口的性能；疲劳试验结果对表面激光冲击强化的工艺优化指导作用有限，只能获得不同表面状态的对比效果。
因此本实施例提供一种基于叶片缺口疲劳性能的激光冲击强化工艺优化方法，将强化叶片疲劳试验与叶片的强化工艺优化相结合，形成一个相对完整的叶片激光冲击强化工艺优化与带缺口的叶片边缘高周疲劳试验方法；
该试验中叶片激光冲击强化工艺优化是通过疲劳试验进行激光参数的调整，使得强化叶片能通过叶片缺口疲劳试验；在叶片靠近根部的同一位置制备一定的缺口，缺口的深度根据不同的要求改变，在叶片尖端施加一定的位移或载荷，使得叶片进行强迫振动，其频率与所施加的位移或载荷相同，直到叶片产生裂纹或者达到所要求的疲劳寿命。激光强化工艺与疲劳试验相结合，可以在某一缺口深度时通过不同的强化工艺，达到所要求的疲劳寿命，或者是在同一强化工艺条件下，获得叶片可以承受的最大缺口深度。
激光强化叶片边缘性能测试方法，具体包括以下步骤：
S1：叶片边缘激光冲击强化；采用钕玻璃或者YAG的纳秒脉冲激光器，约束层为水，吸收保护层可以是铝箔、黑漆或者黑胶带；
S2：在叶片边缘处制作缺口；叶片边缘测试部位用线切割的方法制作，利于模拟真实的叶片裂纹或缺口，制备一定的深度和大小的缺口，为了确保开展有序优化，制备的初始缺口可适当较小，初始缺口深度为0.1-0.3mm，本实施例中优选0.2mm。
S3：判断缺口深度是否达到叶片所需的最大深度，若达到或超过最大深度，则执行步骤S7，若未超过最大深度，则执行步骤S4；通过该步骤用于控制缺口是否达到试验所需的最大缺口深度；
S4：对叶片边缘缺口处进行受迫振动疲劳试验，并设定疲劳循环次数；结合图3所示，受迫振动疲劳试验是通过夹具将叶片固定在试验台上，叶尖部位安装在加载系统，并在叶片的叶尖处施加载荷，通过施加的载荷使得叶片进行强迫振动；载荷可以为正弦或者余弦载荷，该载荷的频率为某一个固定值，如80Hz，疲劳试验的循环次数不小于106次，以满足叶片的新能要求；叶尖的振幅可以调节，以满足缺口部位的应力达到要求，由于缺口部位的应力集中效应，该叶片的缺口位置应力水平比较高，疲劳裂纹将从缺口根部产生；
S5：叶片疲劳试验通过所要求的循环次数，则增大缺口深度，重复步骤S3，若疲劳试验未通过所要求的循环次数，则执行步骤S6；
S6：更换叶片，优化激光冲击强化的参数，并对更换后的叶片边缘激光冲击强化，执行步骤S2；更换后后的叶片缺口位置也可以适应性的调整；
S7：停止疲劳试验；
试验完成后，可达到所要求的缺口深度和所要求的循环次数，从而得到激光冲击强化叶片边缘所允许的最大缺口深度。
本实施例中，增大后的缺口深度为前述缺口深度的1.2-1.6倍；所有初始和加深后的缺口在叶片上的位置相同，优选增大后的缺口为初始缺口的1.5倍，保证各缺口的精度和一致性。
本实施例中，所述步骤S6中优化激光冲击强化的参数包括增大功率密度以及增加光斑覆盖率。
结合附图1和图3进行说明；
发动机叶片1通过榫槽2连接到叶盘上，随着叶盘一起旋转压缩空气，工作过程中该叶片的两个相对的边缘Ⅰ1a和边缘Ⅱ1b容易受到沙砾、石头等外来硬度的冲击，形成缺口，由于应力集中和缺口的影响，将显著降低疲劳强度。采用激光冲击强化、喷丸等表面改性技术对叶片边缘进行处理。
在叶片的激光冲击强化过程中，叶片边缘Ⅰ和边缘Ⅱ将覆盖黑胶带、涂料等吸收激光能量的物质，该物质对激光是不透明的，用于保护基体，同时吸收激光能量产生等离子体。在胶带上面施加一层稳定的流水，可提升冲击波的压力和持续时间；激光冲击强化过程中诱导冲击波所采用的激光可以是由高能的脉冲钕玻璃激光器或者YAG激光器产生，一般情况下，其脉冲宽度很小，为几纳秒到几十纳秒之间，比较典型的为10-20纳秒，激光波长约为1.06/0.53微米，单脉冲能量为5-10焦耳，结合图2所示，光斑的直径约为3-5毫米，光斑的横向搭接间距a和纵向搭接间距b可根据要求进行调整，其工艺的变化将影响强化后的疲劳性能，也是需要优化的参数。
激光器中具有由反射镜和透镜组成的光路，纳秒脉冲的激光束通过该光路发射到叶片的两个边缘处。激光束将会穿过透明水层并作用在不透明的吸收层上，黑色胶带将立即吸收激光能量，表面被迅速加热，汽化形成等离子体，体积迅速膨胀，膨胀的等离子体受到水流层的约束，其压力进一步提升，形成高压冲击波，冲击波作用在叶片边缘处，当其峰值应力高于叶片材料的动态屈服强度时，叶片材料产生屈服并塑性变形，随着冲击波的持续作，应力波向叶片内部传播，直到冲击波的峰值应力减小，低于材料的动态屈服强度。冲击波的作用残留的残余压应力和微观组织变化将提高材料抗疲劳性能。
在图3所述，根据材料的性能和强化的需求设定初始工艺参数，按照上述激光冲击方式对叶片边缘进行强化，首先在激光冲击强化的叶片进气侧的边缘即图1中的边缘Ⅱ处用线切割的方式制作缺口Ⅰ4a，通过叶片的榫头通过夹具固定在实验台上，在叶片的叶尖施加一个正弦或者余弦载荷，循环次数可设置为如2×106；对叶片进行受迫振动疲劳试验，测试叶片能否通过需要的循环次数，若未达到循环次数产生了裂纹，则停止该叶片的试验，更换叶片并调整激光强化参数后，重新制作缺口进行试验；如果通过了相应的循环次数，在缺口Ⅰ4a处没有发生裂纹，则继续加深缺口形成缺口Ⅱ4b，按相同的方式继续进行疲劳实验，在达到预定的循环次数后，继续加深缺口Ⅱ形成缺口Ⅲ4c，由于疲劳裂纹尚未萌生，缺口深度的增加将去除疲劳时产生的滑移等损伤作用，然后继续进行疲劳实验，通过不同次数的迭代，达到设定的循环次数或者直到裂纹产生，从而获得在边缘Ⅱ的缺口叶片疲劳性能。
试验过程中，在叶片的边缘Ⅱ的位置初始制造缺口Ⅰ，后续缺口缺口Ⅱ和缺口Ⅲ位于相同位置，缺口Ⅱ深度缺口Ⅰ大，同理，缺口Ⅲ深度22比缺口Ⅱ深度大，比较典型的是，缺口Ⅰ尺寸为0.2mm，缺口Ⅱ的深度在缺口Ⅰ深度尺寸的基础上增加50％，缺口Ⅲ深度尺寸在缺口Ⅱ深度尺寸的基础上再增加50％，也就是说后续缺口是前一道缺口深度的1.5倍，保证各缺口的精度和一致性，缺口Ⅰ深度可以根据叶片可检查的最小裂纹或者被硬物打伤的缺口设计，最后一个缺口深度是破坏深度，也可称为最大允许深度，该深度的设置主要是根据缺口叶片的使用要求所决定。在工艺优化过程中，从第一道缺口开始迭代，直到达到所需的循环次数或者所设计的缺口深度时停止，也可能不需要经过工艺优化就能满足性能要求。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种激光强化叶片边缘性能测试方法，其特征在于：
包括以下步骤：
S1：叶片边缘激光冲击强化；
S2：在叶片边缘处制作缺口；
S3：判断缺口深度是否达到叶片所需的最大深度，若达到或超过最大深度，则执行步骤S7，若未超过最大深度，则执行步骤S4；
S4：对叶片边缘缺口处进行受迫振动疲劳试验，并设定疲劳循环次数；
S5：叶片疲劳试验通过所要求的循环次数，则增大缺口深度，重复步骤S3，若疲劳试验未通过所要求的循环次数，则执行步骤S6；
S6：更换叶片，优化激光冲击强化的参数，并对更换后的叶片边缘激光冲击强化，执行步骤S2；
S7：停止疲劳试验。
2.根据权利要求1所述的激光强化叶片边缘性能测试方法，其特征在于：所述叶片缺口通过线切割方式制作。
3.根据权利要求1所述的激光强化叶片边缘性能测试方法，其特征在于：增大后的缺口深度为前述缺口深度的1.2-1.6倍。
4.根据权利要求1所述的激光强化叶片边缘性能测试方法，其特征在于：初始缺口深度为0.1-0.3mm。
5.根据权利要求1所述的激光强化叶片边缘性能测试方法，其特征在于：疲劳试验的循环次数不小于106次。
6.根据权利要求1所述的激光强化叶片边缘性能测试方法，其特征在于：所述步骤S6中优化激光冲击强化的参数包括增大功率密度以及增加光斑覆盖率。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113075066B (zh) | 2023-10-31 |
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