CN113832334A - 一种控制裂纹扩展的激光冲击强化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制裂纹扩展的激光冲击强化装置，其特征在于：包括由上至下依次设置的高能脉冲激光、法拉第旋光器、聚焦透镜、约束层、吸收层、弹性接触膜，所述弹性接触膜下方设置航空发动机叶片；本发明在常规激光冲击强化的吸收层与待处理工件之间，放置了一层高强度高弹性的金属接触膜，金属接触膜的表面经抛光处理，并开设有T型分布的微凹槽，这些微凹槽相互交错排列，且不相交，在激光冲击波作用下，待处理工件表面会形成经强化的微凸起，这些微凸起与残余压应力一起，大幅度提高了激光冲击强化的效果，使航空发动机叶片的疲劳寿命得以提升，本发明可应用于航空发动机叶片的强化处理。
Description
技术领域
本发明涉及表面处理领域，具体涉及一种控制裂纹扩展的激光冲击强化方法。
背景技术
激光冲击强化由于能产生高幅残余压应力值，且总体应变较小，被用于航空发动机叶片、汽轮机叶片等的强化，大幅度提高叶片的疲劳寿命。激光冲击强化采用高功率密度的脉冲激光，因此通常需要将多个光斑进行搭接处理，由于光斑尺寸较大(直径3～5mm)，作用时间短(作用时间为数十纳秒)，在超高幅值的激光冲击波压力作用下，光斑内部材料的没有足够时间产生微塑性流变行为，导致光斑内残余压应力分布不均匀，且光斑边缘的边界效应严重，从而在光斑边缘部位产生高度较大的微凸起区域，在多个光斑搭接的情况下，这些微凸起会产生多重交叉，从而大幅度提高表面粗糙度，这些都会降低激光冲击强化的疲劳寿命增益效果。此外，在高周疲劳中，无论采用何种强化手段，疲劳裂纹必然在某一个时间段产生，单一的表面结构并不利于抑制疲劳裂纹的扩展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制裂纹扩展的激光冲击强化方法,在控制激光光斑边界效应的同时，能使光斑内部的残余应力场均匀化，也能控制高周疲劳中微裂纹的扩展，从而提高航空发动机叶片的疲劳性能。
针对上述，本发明解决其技术问题而采取的技术方案是：一种控制裂纹扩展的激光冲击强化装置，其特征在于，包括由上至下依次设置的高能脉冲激光、法拉第旋光器、聚焦透镜、约束层、吸收层、弹性接触膜，所述弹性接触膜下方设置航空发动机叶片。
优选的，所述接触膜的一面抛光处理，且所述抛光面设置有长条形的凹槽，所述凹槽的两端圆角处理，相邻的凹槽呈T字形排列。
优选的，所述凹槽与抛光处理面之间设置过渡圆角连接，所述过渡圆角的半径为2～3μm，且相邻的两个所述凹槽呈T字型排列，凹槽的过渡圆角距离相邻凹槽的距离与宽度相等，凹槽的中心线平分相邻的凹槽设置。
优选的，所述弹性接触膜覆盖在航空发动机叶片待处理表面。
优选的，所述高能脉冲激光的光束脉宽范围为10～30ns，其功率密度范围为109～1010GW/cm2；所述法拉第旋光器用于将反射回来的高强激光偏转，使反射激光偏离发出高能脉冲激光的激光发生器；所述的聚焦透镜为长焦镜，焦距为1～1.5m；所述的吸收层为厚度为100～150μm的铝箔或黑色聚酯胶带；所述的弹性接触膜采用高强度、高弹性弹簧钢，厚度为100～150μm，其强度和硬度高于航空发动机叶片；所述约束层为厚度为1～2mm的去离子水膜。
有益效果：本发明的装置在弹性接触膜内部开设密集分布的高度为0.8～1μm的凹槽，以T字形排列，通过其可以保证在激光冲击强化时，发动机叶片表面材料的流动变形得以顺利进行，从而使表层材料整个处理区域的流动变形均匀分布，最终在待处理表面获得均匀一致的高幅值残余压应力，这是现有的普通激光冲击强化所无法比拟的；凹槽的高度为0.8～1μm，在激光冲击强化过程中，凹槽内部的叶片材料除了受到周边材料的挤压作用，还会受到接触膜自上而下的挤压作用，使该部分凸起材料受到双重挤压强化效果；采用本发明可以在航空发动机叶片表面获得密集分布的不相交的呈T形分布的微凸起，这些不相交的微凸起边缘为圆角过渡，应力集中系数低，且交错分布，与高幅值的均匀分布残余压应力层一起，可以抵御各个方向萌生的疲劳裂纹扩展，大幅度提高航空发动机叶片的疲劳寿命；本发明吸收层位于聚焦透镜焦点前方1～2mm处，该位置的光束质量更佳，有利于获得均匀的强化效果。
附图说明
图1是本发明的控制裂纹扩展的激光冲击强化装置示意图。
图2是本发明弹性接触膜接触面上的凹槽分布图。
图3是本发明的凹槽截面图。
附图标记：1、高能脉冲激光；2、法拉第旋光器；3、聚焦透镜；4、约束层；5、吸收层；6、弹性接触膜；61、凹槽；611、中心线；7、航空发动机叶片。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例：
如图2所示的弹性接触膜接触面上的凹槽分布图，其中l为凹槽长度，b为凹槽宽度，d为凹槽距离；
如图3所示的凹槽截面图，其中h为凹槽高度，b为凹槽宽度，r为凹槽过渡圆角；
如图1所示一种控制裂纹扩展的激光冲击强化装置，其特征在于：包括由上至下依次设置的高能脉冲激光1、法拉第旋光器2、聚焦透镜3、约束层4、吸收层5、弹性接触膜6，所述弹性接触膜6下方设置航空发动机叶片7。
本发明的吸收层5覆盖在弹性接触膜6上，弹性接触膜6覆盖在航空发动机叶片7待处理表面，弹性接触膜6一面经抛光处理，并在抛光表面加工有凹槽61，凹槽61的形状为长条形，且长条形的两端经过圆角处理，凹槽61的长度l为100～150μm，宽度b为10～15μm，凹槽61的高度为0.8～1μm，凹槽61与光滑表面之间通过过渡圆角r连接，过渡圆角r半径为2～3μm，相邻凹槽61呈T字型排列，且凹槽61的过渡圆角r距离相邻凹槽61的距离d与宽度b相等，此外，凹槽61的中心线611平分相邻凹槽；
优选的，所述的高能脉冲激光束1的脉宽范围为10～30ns，功率密度范围为109～1010GW/cm2；
优选的，所述的法拉第旋光器2可以将反射回来的高强激光偏转，从而不会损害激光发生器；
优选的，所述的聚焦透镜3为长焦镜，焦距为1～1.5m；
优选的，所述的吸收层5为厚度为100～150μm的铝箔或黑色聚酯胶带；
优选的，所述的弹性接触膜6是高强度高弹性金属材料，本方案举例弹簧钢，厚度为100～150μm，强度和硬度高于航空发动机叶片7；
优选的，所述的约束层2为厚度为1～2mm的去离子水膜。
工作原理：启动该设备后高能脉冲激光1首先穿过法拉第旋光器2，再经聚焦透镜3聚焦后，透过透明的约束层4，在焦点前方1～2mm处辐照在吸收层5上；高能脉冲激光1脉宽为15ns，聚焦后光斑直径3mm，光斑之间的搭接率为40％，脉冲能量10J，吸收层5在焦点前方1.5mm；聚焦透镜3的焦距为1.5m，约束层4为流动的去离子水膜，其厚度约为1.5mm，流动速度为2cm/s；弹性接触膜6的材质为60Si2CrVA高弹性弹簧钢，其厚度为100μm，硬度为700HV，动态屈服强度为2.8GPa,下表面粗糙度为60nm；凹槽61的长度l为100μm，宽度b为10μm，凹槽61的高度为0.8μm，凹槽61与光滑表面之间通过过渡圆角r连接，圆角半径为2μm，凹槽61的圆角距离为10um；
经过测试，预计采用本发明处理航空发动机叶片7待强化区域后，疲劳寿命比常规激光冲击强化提高了39％。
本发明的装置在弹性接触膜内部开设密集分布的高度为0.8～1μm的凹槽，可以保证在激光冲击强化时，发动机叶片表面材料的流动变形得以顺利进行，从而使表层材料整个处理区域的流动变形均匀分布，最终在待处理表面获得均匀一致的高幅值残余压应力，这是普通激光冲击强化所无法比拟的；凹槽的高度为0.8～1μm，在激光冲击强化过程中，凹槽内部的叶片材料除了受到周边材料的挤压作用，还会受到接触膜自上而下的挤压作用，使该部分凸起材料受到双重挤压强化效果；采用本发明可以在航空发动机叶片表面获得密集分布的不相交的呈T形分布的微凸起，这些不相交的微凸起边缘为圆角过渡，应力集中系数低，且交错分布，与高幅值的均匀分布残余压应力层一起，可以抵御各个方向萌生的疲劳裂纹扩展，大幅度提高航空发动机叶片的疲劳寿命；本发明吸收层位于聚焦透镜焦点前方1～2mm处，该位置的光束质量更佳，有利于获得均匀的强化效果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种控制裂纹扩展的激光冲击强化装置，其特征在于，包括由上至下依次设置的高能脉冲激光(1)、法拉第旋光器(2)、聚焦透镜(3)、约束层(4)、吸收层(5)、弹性接触膜(6)，所述弹性接触膜(6)下方设置航空发动机叶片(7)。
2.根据权利要求1所述的一种控制裂纹扩展的激光冲击强化装置，其特征在于：所述接触膜(6)的一面抛光处理，且所述抛光面设置有长条形的凹槽(61)，所述凹槽(61)的两端圆角处理，相邻的凹槽(61)呈T字形排列。
3.根据权利要求2所述的一种控制裂纹扩展的激光冲击强化装置，其特征在于：所述凹槽(61)与抛光处理面之间设置过渡圆角连接，所述过渡圆角的半径为2～3μm，且相邻的两个所述凹槽(61)呈T字型排列，凹槽(61)的过渡圆角距离相邻凹槽(61)的距离与宽度相等，凹槽(61)的中心线(611)平分相邻的凹槽(61)设置。
4.根据权利要求3所述的一种控制裂纹扩展的激光冲击强化装置，其特征在于：所述弹性接触膜(6)覆盖在航空发动机叶片(7)待处理表面。
5.根据权利要求1所述的一种控制裂纹扩展的激光冲击强化装置，其特征在于：所述高能脉冲激光(1)的光束脉宽范围为10～30ns，其功率密度范围为109～1010GW/cm2；所述法拉第旋光器(2)用于将反射回来的高强激光偏转，使反射激光偏离发出高能脉冲激光(1)的激光发生器；所述的聚焦透镜(3)为长焦镜，焦距为1～1.5m；所述的吸收层(5)为厚度为100～150μm的铝箔或黑色聚酯胶带；所述的弹性接触膜(6)采用高强度、高弹性弹簧钢，厚度为100～150μm，其强度和硬度高于航空发动机叶片(7)；所述约束层(2)为厚度为1～2mm的去离子水膜。
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