CN113088678B - 一种小尺寸整体叶盘的叶片的激光冲击强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于零件表面处理技术，涉及一种小尺寸整体叶盘的叶片的激光冲击强化方法；对于叶片的不同部位，距离叶片的根部越远，发生变形的可能性越大，因此，将叶片的待冲击区域分为三个区域，并设计了差异化的激光冲击强化工艺参数。对于根部圆角，通过较大的激光功率密度获得较优的高周疲劳性能增益效果；而对于离根部更远的危险截面和前缘，通过适当地降低激光功率密度的方式，在满足变形控制的基础上获得一定的高周疲劳性能增益效果。另外，通过数值仿真，对叶片表面的残余应力分布进行分析，为工艺实施提供参考，减小工艺试错次数和工作量。

Description

一种小尺寸整体叶盘的叶片的激光冲击强化方法
技术领域
本发明属于零件表面处理技术，涉及一种小尺寸整体叶盘的叶片的激光冲击强化方法。
背景技术
激光冲击强化技术利用高功率密度(GW/cm2)、短脉冲(ns级)的激光脉冲诱导材料表面产生等离子冲击波，通过冲击波的力学效应，使材料表面发生弹塑性变形，形成深层残余压应力层和组织强化层，从而航空发动机叶片或整体叶盘的高周疲劳性能。由于抗疲劳性能优异，被推广应用于机械制造、航天、兵器、汽车、核电站等多领域中。
整体叶盘主要由盘体和叶片两部分组成，盘体主要起固定连接的作用，而叶片是一种典型的悬臂梁结构，其根部与盘体相连，约束多，刚度较大，而越靠近叶尖，叶身的横截面厚度逐渐减小，刚度也逐渐下降。因此，在激光冲击强化过程中，通常叶片的根部变形最小，而叶尖的变形最大。为了使叶尖变形满足尺寸要求，目前，常用的方法是减小激光功率密度。但是，减小激光功率密度会导致强化效果打折扣，难以充分发挥激光冲击强化的疲劳性能增益效果。专利CN 102409141A提出了一种激光冲击强化边缘的过渡处理方法，提出将激光功率密度随与边缘的距离增加而减小。该方法仅是为了激光冲击强化边缘区塑性变形及残余应力过渡均匀，使冲击区外围表面拉应力降至最低。该方法没有涉及控制叶片变形与充分发挥疲劳增益效果的方法。
发明内容
本发明的目的是：提出一种小尺寸整体叶盘的叶片的激光冲击强化方法，目的是解决激光冲击强化过程中疲劳性能增益与叶片变形控制难以兼得的难题，提高叶片的高周疲劳性能和型面控制精确度。
本发明的技术方案是：
一种小尺寸整体叶盘的叶片的激光冲击强化方法，其特征在于：整体叶盘由盘体1和叶片2组成，将叶片2的待冲击区分为根部圆角3、危险截面4和前缘5三个区域，激光冲击的先后顺序为先根部圆角3，再危险截面4，最后是前缘5，三者的激光冲击功率密度逐渐减小，根部圆角3区域的激光功率密度为5.0～9.0GW/cm2，危险截面4区域的激光功率密度为3.5～4.9GW/cm2，前缘5区域的激光功率密度为1.5～3.4GW/cm2。
所述根部圆角3区域的光斑尺寸为Φ1.2～Φ3.0mm，搭接率为30％～70％。
所述危险截面4区域的光斑尺寸为Φ1.5～Φ3.0mm，搭接率为30％～70％。
所述前缘5区域的光斑尺寸为Φ1.5～Φ3.0mm，搭接率为30％～70％。
所述光斑的形状为圆形，光束能量为高斯或平顶分布。
根据权利要求1所述的一种小尺寸整体叶盘的叶片的激光冲击强化方法，其特征在于：对于根部圆角3、危险截面4、前缘5，依次先冲击叶背面1次，再冲击叶盆面1次，必要时，每个面可冲击2次。
冲击前，先获得叶片2的三维模型，再建立叶片2的本构模型，然后对冲击后的表面残余压应力分布进行数值仿真，从而确定根部圆角3、危险截面4和前缘5三个区域的形状和面积大小。
根部圆角3、危险截面4和前缘5三个区域的交界处可重叠的尺寸范围为0～5.0mm。
本发明的优点是：
根据叶片不同区域的刚度差异，分别进行差异化的激光冲击强化工艺方法，不仅大大降低了叶尖的变形程度，也充分发挥了激光冲击强化的疲劳性能增益效果，满足了根部圆角及危险截面的抗高周疲劳性能需求。通过数值仿真，对叶片表面的残余应力分布进行分析，为工艺实施提供参考，减小工艺试错次数和工作量。
附图说明
图1叶片激光冲击强化区域示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
如图1所示，一种小尺寸整体叶盘的叶片的激光冲击强化方法，整体叶盘由盘体1和叶片2组成，将叶片2的待冲击区分为根部圆角3、危险截面4和前缘5三个区域，激光冲击的先后顺序为先根部圆角3，再危险截面4，最后是前缘5，三者的激光冲击功率密度逐渐减小，根部圆角3区域的激光功率密度为5.0～9.0GW/cm2，危险截面4区域的激光功率密度为3.5～4.9GW/cm2，前缘5区域的激光功率密度为1.5～3.4GW/cm2；所述根部圆角3区域的光斑尺寸为Φ1.2～Φ3.0mm，搭接率为30％～70％；所述危险截面4区域的光斑尺寸为Φ1.5～Φ3.0mm，搭接率为30％～70％；所述前缘5区域的光斑尺寸为Φ1.5～Φ3.0mm，搭接率为30％～70％；光斑的形状为圆形，光束能量为高斯或平顶分布。
对于根部圆角3、危险截面4、前缘5，依次先冲击叶背面1次，再冲击叶盆面1次，必要时，每个面可冲击2次。
冲击前，先获得叶片2的三维模型，再建立叶片2的本构模型，然后对冲击后的表面残余压应力分布进行数值仿真，从而确定根部圆角3、危险截面4和前缘5三个区域的形状和面积大小。
根部圆角3、危险截面4和前缘5三个区域的交界处可重叠的尺寸范围为0～5.0mm。
本发明的工作原理是：
对于叶片的不同部位，距离叶片的根部越远，发生变形的可能性越大，因此，将叶片的待冲击区域分为三个区域，并设计了差异化的激光冲击强化工艺参数。研究表明，激光功率密度是影响叶片变形的主要参数。对于根部圆角，通过较大的激光功率密度获得较优的高周疲劳性能增益效果；而对于离根部更远的危险截面和前缘，通过适当地降低激光功率密度的方式，在满足变形控制的基础上获得一定的高周疲劳性能增益效果。另外，通过数值仿真，对叶片表面的残余应力分布进行分析，为工艺实施提供参考，减小工艺试错次数和工作量。
实施例1
冲击前，先获得叶片2的三维模型，再建立叶片2的本构模型，然后对冲击后的表面残余压应力分布进行数值仿真，将叶片2的待冲击区分为根部圆角3、危险截面4和前缘5三个区域，确定根部圆角3、危险截面4和前缘5三个区域的形状和面积大小，冲击的先后顺序为先根部圆角3，再危险截面4，最后是前缘5，三者的激光功率密度逐渐减小。叶片2根部圆角3区域的激光功率密度为5.0GW/cm2，光斑尺寸为Φ1.2mm，搭接率为30％；危险截面4区域的激光功率密度为3.5GW/cm2，光斑尺寸为Φ1.5mm，搭接率为30％；前缘5区域的激光功率密度为1.5GW/cm2，光斑尺寸为Φ1.5mm，搭接率为30％。
对于根部圆角3，依次先冲击叶背面1次，再冲击叶盆面1次。对于危险截面4，依次先冲击叶背面1次，再冲击叶盆面1次。对于前缘4，依次先冲击叶背面1次，再冲击叶盆面1次。根部圆角3、危险截面4和前缘5三个区域的交界处可重叠的尺寸范围为0mm。
实施例2
根部圆角3区域的激光功率密度为9.0GW/cm2，光斑尺寸为Φ3.0mm，搭接率为70％；危险截面4区域的激光功率密度为4.9GW/cm2，光斑尺寸为Φ3.0mm，搭接率为70％；前缘5区域的激光功率密度为3.4GW/cm2，光斑尺寸为Φ3.0mm，搭接率为70％。激光光束能量为平顶分布。根部圆角3、危险截面4和前缘5三个区域的交界处可重叠的尺寸范围为5.0mm。

Claims (7)

1.一种小尺寸整体叶盘的叶片的激光冲击强化方法，其特征在于：冲击前，先获得叶片(2)的三维模型，再建立叶片(2)的本构模型，然后对冲击后的表面残余压应力分布进行数值仿真，整体叶盘由盘体(1)和叶片(2)组成，将叶片(2)的待冲击区分为根部圆角(3)、危险截面(4)和前缘(5)三个区域，确定根部圆角(3)、危险截面(4)和前缘(5)三个区域的形状和面积大小，激光冲击的先后顺序为先根部圆角(3)，再危险截面(4)，最后是前缘(5)，三者的激光冲击功率密度逐渐减小，根部圆角(3)区域的激光功率密度为5.0～9.0GW/cm2，危险截面(4)区域的激光功率密度为3.5～4.9GW/cm2，前缘(5)区域的激光功率密度为1.5～3.4GW/cm2。
2.根据权利要求1所述的小尺寸整体叶盘的叶片的激光冲击强化方法，其特征在于：所述根部圆角(3)区域的光斑尺寸为Φ1.2～Φ3.0mm，搭接率为30％～70％。
3.根据权利要求1所述的小尺寸整体叶盘的叶片的激光冲击强化方法，其特征在于：所述危险截面4区域的光斑尺寸为Φ1.5～Φ3.0mm，搭接率为30％～70％。
4.根据权利要求1所述的小尺寸整体叶盘的叶片的激光冲击强化方法，其特征在于：所述前缘(5)区域的光斑尺寸为Φ1.5～Φ3.0mm，搭接率为30％～70％。
5.根据权利要求2－4任意一项所述的小尺寸整体叶盘的叶片的激光冲击强化方法，其特征在于：所述光斑的形状为圆形，光束能量为高斯或平顶分布。
6.根据权利要求1所述的小尺寸整体叶盘的叶片的激光冲击强化方法，其特征在于：对于根部圆角(3)、危险截面(4)、前缘(5)，依次先冲击叶背面1次，再冲击叶盆面1次。
7.根据权利要求1所述的小尺寸整体叶盘的叶片的激光冲击强化方法，其特征在于：根部圆角(3)、危险截面(4)和前缘(5)三个区域的交界处可重叠的尺寸范围为0～5.0mm。
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