CN113817914B - 一种压气机薄叶片激光冲击强化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种压气机薄叶片激光冲击强化工艺，确定叶片的激光冲击强化工艺，包括按照叶片材料的力学性能，确定激光工艺参数，并确定叶片激光冲击强化区域对叶片变形进行控制；按照确定的激光冲击强化工艺，对叶片进行加工；对激光冲击强化区域进行抛光打磨，去除表面烧蚀层。本发明工艺解决了大能量激光冲击强化厚度小于2mm压气机叶片时，由于入射压缩波与反射拉伸波的耦合，引入拉应力，降低叶片的疲劳性能，以及激光冲击强化导致叶片变形量比较大的难题。

Description

一种压气机薄叶片激光冲击强化工艺
技术领域
本发明涉及激光强化领域，特别涉及一种压气机薄叶片激光冲击强化工艺。
背景技术
激光冲击强化技术是目前最先进的提高金属材料力学性能的表面处理技术。在航空、兵器、石油、医疗器械等领域都有应用，特别在提高航空发动机零部件使用寿命上起到了非常重要的作用。
激光冲击强化冲击比较薄的零件时，冲击压缩波穿过材料在自由表面反射的是拉伸波，在材料内部产生残余拉应力，且反射拉伸波与入射波相互耦合，产生复杂的残余应力分布，影响强化效果。而且在激光冲击强化时，薄件的变形也是不可忽视的问题。
目前，所有薄件激光冲击强化的文献中，均采用大能量(1J以上)的激光冲击强化工艺，未见报道本发明工艺采用的低能量(100mJ以内)小光斑(直径小于1mm)的激光工艺参数。申请公布号CN108728782A《纳秒脉冲激光冲击强化钛合金薄叶片冲击波吸收的方法》，激光冲击强化工艺参数为激光能量2J～5J，光斑直径1mm～2mm，在薄叶片背面和侧面安装能量陷阱装置实现导出冲击波，难点是需要找到与叶片材料声阻抗相匹配的材料，需要根据叶片的形貌制备导波模型，且此专利只解决了反射拉伸波问题，叶片的变形仍然没有解决。
发明内容
本发明提出一种压气机薄叶片激光冲击强化工艺，解决了现有技术中大能量激光冲击强化厚度小于2mm压气机叶片时，由于入射压缩波与反射拉伸波的耦合，引入拉应力，会降低叶片的疲劳性能，以及激光冲击强化导致叶片变形量比较大的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种压气机薄叶片激光冲击强化工艺，包括以下步骤：
S1：根据压气机叶片薄弱区域，确定激光冲击强化区域：压气机叶片的进气边、排气边在叶盆和叶背上的对称区域为激光冲击强化区域；
S2：确认叶片控制变形区域：应用Abaqus仿真软件，输入材料的力学性能参数，在叶片三维模型叶盆和叶背两者的进气边及排气边载入激光冲击强化参数，计算变形，通过多次选择不同控制变形区域的仿真分析，确认叶片控制变形区，在三维模型对应的压气机薄叶片的叶背中间区域载入相同的激光冲击强化参数，并在计算分析后确认控制变形量范围；
S3：根据压气机薄叶片的材料力学性能制定激光冲击强化激光参数：激光工艺参数为激光单脉冲能量≤100mJ、聚焦光斑直径≤1mm和激光脉宽≤10ns；
S4：设置激光冲击强化路径程序：根据叶片的冲击区域，在激光冲击强化设备上设置激光冲击强化路径程序。
S5：清洗压气机叶片表面；
S6：通过夹具将叶片固定，将激光器对准叶片，调用设置好的激光冲击强化路径程序，采用无吸收保护层的强化形式进行加工；
S7：对激光冲击强化区域进行抛光打磨，去除表面烧蚀层。
优选的，步骤S1中压气机叶片的进气边及排气边的激光冲击强化区域的宽度为5mm±1mm。
优选的，步骤S2中叶片控制变形区为叶背中间宽度为10mm±1m的区域。
优选的，步骤S2中叶片控制变形量的范围为0-0.2mm。
优选的，步骤S3中材料为铝合金时，激光功率密度为2GW/cm2～5GW/cm2，激光脉宽为5～10ns，激光能量为20mJ～50mJ，聚焦光斑直径为0.3mm～0.5mm；材料为钛合金时，激光功率密度为4GW/cm2～8GW/cm2，激光脉宽为5～10ns，激光能量为50mJ～90mJ，聚焦光斑直径为0.3mm～0.5mm。
优选的，步骤S4中，冲击区域具体为：
(1)激光冲击强化区域：叶片叶盆和叶背的进气边及排气边区域；
(2)控制变形区域：叶背的中间区域。
优选的，步骤S7中激光加工烧蚀区域的打磨方式包括手动打磨和磨粒流。
优选的，步骤S3中相邻光斑搭接率≥50％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出的小能量、小光斑、窄脉宽的激光冲击强化工艺，避免了反射拉伸波的产生，克服了压气机薄叶片在激光冲击强化后因反射的拉伸波导致零件性能降低、变形较大的问题。
(2)本发明在压气机薄叶片的激光冲击强化区域载入残余压应力，并且可以通过在叶片叶背增加强化区域能够将叶片的变形控制在要求范围内。
(3)本发明采用无吸收保护层的激光冲击强化方式，避免了多次贴覆吸收保护层的加工工序，提高了激光冲击强化效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明实施例1压气机模拟叶片控制变形激光冲击强化叶根区的结构示意图；
图3为本发明实施例1中压气机模拟叶片控制变形激光冲击强化进气区边和排气边的结构示意图；
图4为本发明实施例2中压气机叶片控制变形激光冲击强化进气区边和排气边的结构示意图；
图5为本发明实施例2中压气机叶片叶背增加冲击区域的结构示意图；
图6为本发明实施例2中压气机叶片仅冲击进气区边和排气边后变形测试图；
图7为本发明实施例2中压气机叶片叶背增加冲击区域后变形测试图。
附图说明
1.模拟叶片；2.叶根区；3-1.模拟叶片进气边；3-2.模拟叶片排气边；4.压气机叶片叶盆面；5.叶盆面排气边；6.叶盆面进气边；7.压气机叶片叶背面；8.叶背面进气边；9.叶背面排气边；10.叶背控制变形区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-3所示，一种压气机薄叶片激光冲击强化工艺，包括以下步骤：
S1：根据压气机叶片薄弱区域，确定激光冲击强化区域：压气机叶片的进气边、排气边在叶盆和叶背上的对称区域为激光冲击强化区域，宽度约为5mm。
S2：确认叶片控制变形区：利用仿真软件，如Abaqus软件，输入材料的力学性能参数，在叶片的三维模型叶片叶盆面4和叶片叶背面7的叶盆面进气边6、叶片叶背面7、叶背面进气边8和叶背面排气边9上5mm±1mm宽区域载入激光冲击强化参数等，叶背控制变形区10即叶背中间10mm±1mm区域载入相同的激光冲击强化参数，计算分析后，变形可以控制到要求范围内。
S3：根据压气机薄叶片的材料力学性能制定激光冲击强化激光参数：激光工艺参数为激光单脉冲能量≤100mJ、聚焦光斑直径≤1mm和激光脉宽≤10ns；材料为铝合金时，激光功率密度为2GW/cm2～5GW/cm2，激光脉宽为5～10ns，激光能量为20mJ～50mJ，聚焦光斑直径为0.3mm～0.5mm；材料为钛合金时，激光功率密度为4GW/cm2～8GW/cm2，激光脉宽为5～10ns，激光能量为50mJ～90mJ，聚焦光斑直径为0.3mm～0.5mm，以上相邻光斑搭接率为50％。
在本实施例中压气机叶片，材料为钛合金，激光参数确定为激光脉冲能量约80mJ，脉宽约7ns～9ns，聚焦光斑约0.3mm～0.4mm，采用50％相邻光斑搭接率；
叶背的中间区域采用与进气边和排气边相同的激光冲击强化工艺参数。
S4：根据叶片的冲击区域：叶盆和叶背两者的进气边以及排气边约5mm区域；控制变形冲击区域：叶背的中间约10mm区域；以及激光冲击强化工艺参数在激光冲击强化设备上设置激光冲击强化路径程序。
S5：清洗压气机叶片表面；
S6：通过夹具将叶片固定，将激光器对准叶片并采用无吸收保护层的强化形式进行加工；
S7：对激光冲击强化区域进行抛光打磨，去除表面烧蚀层。
步骤S7中激光加工烧蚀区域的打磨方式包括手动打磨和磨粒流。
如图2-3所示，模拟叶片的激光冲击强化区域。模拟叶片1，厚度约0.8mm的平面件。由于模拟叶片1为比较规则的平面，通过分别在叶身正反两面叶根区2上进行相同工艺的激光冲击强化(单脉冲能量50mJ，聚焦光斑Φ0.4mm，相邻光斑50％搭接，脉宽约8ns)，手动打磨后，模拟叶片叶根区2表面残余压应力-464MPa，并且模拟叶片1基本没有变形。
同样的激光参数，在模拟叶片1的模拟叶片进气边3-1和模拟叶片排气边3-2的正反两面进行对称的激光冲击强化，也可以控制变形。
实施例2
如图4-7所示，某型压气机叶片，叶片边缘厚度约0.6mm，冲击区域为叶盆面排气边5、叶盆面进气边6、叶背面进气边8和叶背面排气边9，激光冲击强化参数为80mJ，0.4mm，50％搭接。为了控制变形，在叶背的叶身中间区域增加宽度约10mm叶背控制变形区10进行激光冲击强化，强化区域(未打磨)残余应力测试如表1所示。
表1强化区域(未打磨)残余应力测试
Figure GDA0003262154190000051
Figure GDA0003262154190000061
叶片只强化叶盆面排气边5、叶盆面进气边6、叶背面进气边8、叶背面排气边9后的变形测试图如图6所示，最大变形约0.930mm。通过叶背控制变形区10的强化，变形测试图如图7所示，最大变形约-0.1067mm。
零件按照确定的加工区域及工艺参数加工完成后，根据零件表面粗糙度要求，选用合适的打磨手段，使得零件表面粗糙度符合要求。要求选用的打磨工艺不会造成残余压应力的释放。如表2，对某型叶片采用磨粒流打磨方式，测量表面粗糙度及表面残余压应力。
表2强化区域(打磨后)残余应力测试
测量点 点3 点4
表面粗糙度(Ra) 0.965 1.095
表面残余应力(MPa) -640 -695
综上所述，本发明解决了大能量激光冲击强化厚度小于2mm压气机叶片时，由于入射压缩波与反射拉伸波的耦合，引入拉应力，降低叶片的疲劳性能，以及激光冲击强化导致叶片变形量比较大的难题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种压气机薄叶片激光冲击强化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
 S1：根据压气机叶片薄弱区域，确定激光冲击强化区域：压气机叶片的进气边、排气边在叶盆和叶背上的对称区域为激光冲击强化区域，压气机叶片的进气边及排气边的激光冲击 强化区域的宽度为 5mm±1mm；
S2：确认叶片控制变形区域：应用 Abaqus 仿真软件，输入材料的力学性能参数，在叶片 三维模型叶盆和叶背两者的进气边及排气边载入激光冲击强化参数，计算变形，通过多次选 择不同控制变形区域的仿真分析，确认叶片控制变形区，在三维模型对应的压气机薄叶片的 叶背中间区域载入相同的激光冲击强化参数，并在计算分析后确认控制变形量范围；
S3：根据压气机薄叶片的材料力学性能制定激光冲击强化激光参数：激光工艺参数为激 光单脉冲能量≤100mJ、聚焦光斑直径≤1mm 和激光脉宽≤10ns；
S4：设置激光冲击强化路径程序：根据叶片的冲击区域，在激光冲击强化设备上设置激光冲击强化路径程序；
S5：清洗压气机叶片表面；
 S6：通过夹具将叶片固定，将激光器对准叶片，调用设置好的激光冲击强化路径程序，采用无吸收保护层的强化形式进行加工；
 S7：对激光冲击强化区域进行抛光打磨，去除表面烧蚀层。
2.如权利要求 1 所述的一种压气机薄叶片激光冲击强化工艺，其特征在于，步骤 S2中 叶片控制变形区为叶背中间宽度为 10mm±1m 的区域。
3.如权利要求 1 所述的一种压气机薄叶片激光冲击强化工艺，其特征在于，步骤 S2中 叶片控制变形量的范围为 0-0.2mm。
4.如权利要求 1 所述的一种压气机薄叶片激光冲击强化工艺，其特征在于，步骤 S3中 材料为铝合金时，激光功率密度为 2GW/cm2~5 GW/cm2，激光脉宽为 5~10ns，激光能量为 20mJ~50mJ，聚焦光斑直径为 0.3mm~0.5mm；材料为钛合金时，激光功率密度为 4GW/cm2~8 GW/cm2，激光脉宽为 5~10ns，激光能量为 50mJ~90mJ，聚焦光斑直径为 0.3mm~0.5mm。
5.如权利要求 1 所述的一种压气机薄叶片激光冲击强化工艺，其特征在于，步骤 S4中， 冲击区域具体为：
（1）激光冲击强化区域：叶片叶盆和叶背的进气边及排气边区域；
（2）控制变形区域：叶背的中间区域。
6.如权利要求 1 所述的一种压气机薄叶片激光冲击强化工艺，其特征在于，步骤 S7中 激光加工烧蚀区域的打磨方式包括手动打磨和磨粒流。
7.如权利要求 4 所述的一种压气机薄叶片激光冲击强化工艺，其特征在于，步骤 S3中相邻光斑搭接率≥50%。
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