CN117551952A - 一种镍基高温合金用扫描条带式超高频激光喷丸强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料表面强化技术领域，涉及一种镍基高温合金用扫描条带式超高频激光喷丸强化方法。本发明使用固体激光器激发超高频率脉冲激光，在高温合金表面冲击诱导产生等离子爆炸，等离子爆炸波在水层约束下能量逐步增大并超过材料动态屈服极限，使高温合金表层发生塑性变形，在材料近表层引入高幅值残余压应力，抑制疲劳裂纹萌生及裂纹扩展，可以有效提高高温合金部件疲劳性能。本发明采用扫描+条带搭接方式，实现大面积强化，无需考虑光斑之间的搭接方式，工艺简单容易实施。热作用小，零件处理前不需要涂覆保护涂层，零件激光强化后表面无烧蚀层，不需要进行额外加工。强化效率高，可达100cm2/min，是传统激光喷丸强化工艺的10倍以上。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面强化技术领域，涉及一种镍基高温合金用扫描条带式超高频激光喷丸强化方法。
背景技术
镍基高温合金作以其优异的力学性能、良好的抗氧化和耐腐蚀性能，被广泛应用于航空发动机的燃烧室、涡轮增压部件等热端部件上，随着现代航空发动机的承载能力和性能要求的不断提升，热端部件的服役环境更加恶劣。发动机热端部件受到高压载荷、高温引起的热载荷、高转速引起的离心载荷和振动载荷等多重载荷作用，在服役过程中易因表面加工缺陷引起裂纹萌生扩展，存在疲劳断裂等问题，严重影响飞机的安全可靠服役。表面质量对航空发动机高温合金热端部件的疲劳性能至关重要，因此需采用合适的表面强化工艺技术对表面进一步加工强化，进而提高零件疲劳性能。
对国内各数据库进行了检索，无相关文献。对国内外专利数据库进行搜索，无相关内容。高频激光脉冲表面冲击强化方法可应用于变形高温合金、铸造高温合金、粉末高温合金等材料，可应用于航空发动机叶片、涡轮盘榫头等关键部位，具有良好的应用前景。
发明内容
本发明的主要目的是利用高频率脉冲激光冲击诱导产生的等离子爆炸冲击波，冲击波作用使变形高温合金材料发生塑性变形，引入高幅值残余压应力，残余压应力可抑制疲劳裂纹萌生，且其具有一定深度，抑制疲劳裂纹扩展，可以有效提高高温合金部件疲劳性能。本发明的特点是，激光脉冲频率高、激光热作用小，采用扫描方式处理大面积区域，优点是处理效率高、零件表面不需要涂覆保护层，工艺简单容易实施。
为实现上述目的，本发明的技术方案涉及以下：一种镍基高温合金用扫描条带式超高频激光喷丸强化方法，包括以下步骤：
1)高频激光喷丸强化设备以高频固体脉冲YAG激光器为能量源，激光脉冲频率F：≥1000Hz，脉冲宽度W：10ns～30ns，脉冲能量E：20mj～50mj，聚焦光斑直径D：Ф0.2～Ф0.5mm；
2)脉冲激光以去离子水为介质进行传导，去离子水作为传导介质的同时形成水膜成为激光喷丸用的水约束层；
3)脉冲激光沿X轴连续移动，以扫描方式在零件表面形成喷丸条带，扫描速度γ：γ＝D*F*(1-η)，条带在Y轴方向逐个搭接实现零件大面积强化处理；条带搭接率η应不低于75％，条带宽度为光斑直径D；
4)激光喷丸过程中，激光聚焦光斑可直接作用高温合金材料表面，材料表面不需要涂覆防护涂层，激光喷丸后也不需要进行后加工处理。
所述高频固体脉冲YAG激光器产生的脉冲激光经聚焦后作用在待处理的材料表面。
所述激光脉冲的功率密度应为3GW/cm2～5GW/cm2。
所述根据确定的功率密度，选择脉冲能量、脉冲宽度和聚焦的光斑直径。
所述步骤3)条带搭接率：大于75％，条带宽度为光斑直径D。
所述扫描路径为“S”型或“II”型。
所述步骤2)去离子水的电导率大于15MΩ.cm。
所述步骤3)强化处理次数一般为1次，根据零件强化性能要求，也可多次强化，但不得超过3次。
镍基高温合金零件表面使用酒精、丙酮或清洗剂彻底清理，确保表面无附着物和油污。
本发明的优点在于：本发明使用固体激光器激发超高频率脉冲激光，脉冲激光在高温合金表面冲击诱导产生等离子爆炸，等离子爆炸波在水层约束下能量逐步增大并超过材料动态屈服极限，使得高温合金表层发生塑性变形，在材料近表层引入高幅值残余压应力，残余压应力可抑制疲劳裂纹萌生，且其具有一定深度，抑制疲劳裂纹扩展，可以有效提高高温合金部件疲劳性能。有益效果如下：
其一，采用扫描+条带搭接方式，实现大面积强化，无需考虑光斑之间的搭接方式，工艺简单容易实施。
其二，热作用小，零件处理前不需要涂覆保护涂层，零件激光强化后表面无烧蚀层，不需要进行额外加工。
其三，强化效率高，可达100cm2/min，是传统激光喷丸强化工艺的10倍以上。
附图说明
图1去离子水作为激光传导介质和约束层的示意图；
图2搭接率示意图
图3扫描路径示意图
图4激光喷丸条带示意图
图5大面积激光喷丸强化示意图
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步说明：
一种镍基高温合金用扫描条带式超高频激光喷丸强化方法，包括以下步骤：
(1)激光器参数
高频脉冲激光冲击强化设备应具备：①设备装有YAG高能固体激光器，激光波长532nm，脉冲宽度为10ns～30ns，脉冲能量20mj～50mj，聚焦光斑尺寸Ф0.2～Ф0.5mm，频率大于1000Hz；②脉冲激光以去离子水为介质进行传导，该去离子水介质在零件表面形成稳定水膜作为激光喷丸用于用水约束层，见图1所示，去离子水的电导率大于15MΩ.cm；
(2)零件准备
零件为镍基高温合金材料，零件表面应使用酒精、丙酮或其他合适的清洗剂彻底清理，确保表面无附着物和油污，清洗后的零件或样品采用专用工装稳定安装在工作台上。
(3)工艺参数确定
①根据高温合金材料的力学特性，激光脉冲的功率密度应为3GW/cm2～5GW/cm2；
②根据要求功率密度范围，在设备参数范围内，选择合适的脉冲宽度、脉冲能量和光斑直径，通常情况下，可以先确定脉冲宽度为20ns，在根据应用情况选择合适的光斑直径和脉冲能量，如果20ns脉冲宽度前提下无法选择合适的光斑直径和脉冲能量，再调节脉冲宽度；
③光斑和条带搭接率(η):搭接率应不低于75％；
一般用搭接率η来定量表征搭接方式，η＝(D-C)/D，如图1所示，其中D为单个激光脉冲光斑的直径，C为相邻两个光斑的圆心距离。
④条带偏移距离(δY)：δY＝D*(1-η)，其中D为单个激光脉冲光斑的直径，η为搭接率；
⑤扫描速度(γ)：γ＝D*F*(1-η)，其中D为单个激光脉冲光斑的直径，F为脉冲激光的发射频率，η为搭接率；
⑥扫描路径：可选择S型或II型，两种扫描路径示意图见图3
(4)工艺实施：
将零件装卡在工作平台上，采用高频激光冲击强化设备进行数控程序编程，按照(3)中的确定的设备参数，光路沿X轴方向的移动，可获得由若干个冲击光斑组成的冲击条带，如图4所示，示意图中，黑色圆圈表示冲击光斑，红色方框区域为一排冲击光斑共同形成的一个喷丸条带；一个喷丸条带形成后，零件向Y轴方向移动一个条带偏移距离δY，激光以S型或II型路径进行扫描，实现零件大面积喷丸强化处理，见示意图5。根据零件强化性能要求，可对进行多次强化，强化次数一般为1次，根据零件强化性能要求，也可多次强化，但不得超过3次；。
(5)激光喷丸强化后处理：高频激光喷丸强化后，使用适合的清洗剂清理零件表面，清除水渍等残留物，不需要进行其他后处理。
实例1
实例1为使用本发明方法对GH4169合金100mm*100mm方形试样表面进行扫描条带式超高频激光喷丸强化处理。
(1)工件准备
表面为磨削加工表面，表面粗糙度为Ra0.4μm，首先对高温合金零件表面使用酒精清洗，去除表面油污及杂质。
(2)参数确定
确定搭接率为75％；
预设脉冲宽度为20ns；
预设光斑尺寸Ф为0.3mm；
根据确定的功率密度应为3GW/cm2～5GW/cm2的要求，计算脉冲能量并取证为50mj；
条带偏移距离(δY)为0.075mm；
扫描速度(γ)为75mm/s；
扫描路径选择为“S”
确定工艺参数见表1。
表1 GH4169试样激光喷丸工艺参数
(3)喷丸工艺实施
将试件固定在工作平台上，按照表1设定激光器参数，光路沿X轴方向以75mm/s的速度移动，形成沿X轴方向的喷丸条带，在条带末端向Y轴方向移动0.075mm距离，再沿X轴反方向扫描，形成第二个喷丸条带，再向Y轴方向移动0.075mm距离，再沿X轴方向扫描，形成第三个条带，如此反复，形成100mm*100mm的方向激光喷丸区域。
(4)激光喷丸强化后处理：高频激光喷丸强化后，使用酒精清理零件表面，不需要进行其他后处理。
实例2
实例1为使用本发明方法对FGH96镍基粉末高温合金100mm*100mm方形试样表面进行扫描条带式超高频激光喷丸强化处理。
(1)工件准备
试样表面为磨削加工状态，表面粗糙度为Ra0.4μm，首先对试样表面使用酒精清洗，去除表面油污及杂质。
(2)参数确定
确定搭接率为90％；
预设脉冲宽度为10ns；
预设光斑尺寸Ф为0.4mm；
根据确定的功率密度应为3GW/cm2～5GW/cm2的要求，计算脉冲能量并取整数为40mj；
条带偏移距离(δY)为0.04mm；
扫描速度(γ)为40mm/s；
扫描路径选择为“S”
确定工艺参数见表2。
表2FGH96合金试件激光喷丸工艺参数
(3)喷丸工艺实施
将试件固定在工作平台上，按照表2设定激光器参数，光路沿X轴方向以40mm/s的速度移动，形成沿X轴方向的喷丸条带，在条带末端向Y轴方向移动0.075mm距离，再沿X轴反方向扫描，形成第二个喷丸条带，再向Y轴方向移动0.04mm距离，再沿X轴方向扫描，形成第三个条带，如此反复，形成100mm*100mm的方向激光喷丸区域。
(4)激光喷丸强化后处理：高频激光喷丸强化后，使用酒精清理零件表面，不需要进行其他后处理。
Claims (9)
1.一种镍基高温合金用扫描条带式超高频激光喷丸强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)高频激光喷丸强化设备以高频固体脉冲YAG激光器为能量源，激光脉冲频率F：≥1000Hz，脉冲宽度W：10ns～30ns，脉冲能量E：20mj～50mj，聚焦光斑直径D：Ф0.2～Ф0.5mm；
2)脉冲激光以去离子水为介质进行传导，去离子水作为传导介质的同时形成水膜成为激光喷丸用的水约束层；
3)脉冲激光沿X轴连续移动，以扫描方式在零件表面形成喷丸条带，扫描速度γ：γ＝D*F*(1-η)，条带在Y轴方向逐个搭接实现零件大面积强化处理；条带搭接率η应不低于75％，条带宽度为光斑直径D；
4)激光喷丸过程中，激光聚焦光斑可直接作用高温合金材料表面，材料表面不需要涂覆防护涂层，激光喷丸后也不需要进行后加工处理。
2.根据权利要求1所述的镍基高温合金用扫描条带式超高频激光喷丸强化方法，其特征在于，所述高频固体脉冲YAG激光器产生的脉冲激光经聚焦后作用在待处理的镍基高温合金材料表面。
3.根据权利要求1所述的镍基高温合金用扫描条带式超高频激光喷丸强化方法，其特征在于，所述激光脉冲的功率密度应为3GW/cm2～5GW/cm2。
4.根据权利要求3所述的镍基高温合金用扫描条带式超高频激光喷丸强化方法，其特征在于，所述根据确定的功率密度，选择脉冲能量、脉冲宽度和聚焦的光斑直径。
5.根据权利要求1所述的镍基高温合金用扫描条带式超高频激光喷丸强化方法，其特征在于，所述步骤3)条带搭接率：大于75％，条带宽度为光斑直径D。
6.根据权利要求1所述的镍基高温合金用扫描条带式超高频激光喷丸强化方法，其特征在于，所述扫描路径为“S”型或“II”型。
7.根据权利要求1所述的镍基高温合金用扫描条带式超高频激光喷丸强化方法，其特征在于，所述步骤2)去离子水的电导率大于15MΩ.cm。
8.根据权利要求1所述的镍基高温合金用扫描条带式超高频激光喷丸强化方法，其特征在于，所述步骤3)强化处理次数一般为1次，根据零件强化性能要求，也可多次强化，但不得超过3次。
9.根据权利要求1所述的镍基高温合金用扫描条带式超高频激光喷丸强化方法，其特征在于，镍基高温合金零件表面使用酒精、丙酮或清洗剂彻底清理，确保表面无附着物和油污。
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