CN1293362A - 用瞬时等离子体光谱分析监视和控制激光冲击冷锻的方法 - Google Patents

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Abstract

工件激光冲击冷锻处理的质量保证方法包括测量和记录等离子体持续期短时间内的瞬时光强度数据;其中等离子体与来自生产型激光冲击冷锻处理期间发射的激光散粒的气化材料有关。然后记录的瞬时数据被分析以得到等离子体瞬时光谱,并用来提供生产型激光冲击冷锻处理的统计控制。本发明的一个相关函数基于每一次激光发射的时间积分的光谱峰值强度波长曲线并为此在多次或所有发射的每一个等离子体持续期内的多个时间点确定峰值强度波长。

Description

用瞬时等离子光光谱分析 监视和控制激光冲击冷锻的方法
本发明涉及用于对金属表面进行激光表面处理的质量保证的处理监视方法，更具体地说，涉及通过测量激光产生的等离子体在其持续期所发射的光的光谱强度来提供激光冲击冷锻(LSP)处理的质量保证的方法。
激光冲击冷锻或者激光冲击处理一般认为是通过激光冲击冷锻工件表面区域而产生深压缩残留应力区域的处理。激光冲击冷锻一般使用来自高功率脉冲激光器的一个或多个辐射脉冲在工件表面产生强冲击波，类似于公开在美国专利No．3850698“改变材料特性”、美国专利No．4401477“激光冲击处理”和美国专利No．5131957“材料特性”中的方法。激光冲击冷锻，如同从技术上理解并在此使用的一样，意味着使用来自激光光束源的脉冲激光光束，通过瞬时烧蚀或气化工件表面的薄层或工件表面的涂层(例如带子或涂层)而在激光光束的冲击点产生爆炸力，用来在工件表面的某部分产生强大的局部压缩力。
激光冷锻已被用来在工件的外表面形成压缩应力保护层，据悉这极大地增加了工件的抗疲劳损坏性，如同公开在美国专利No．4937421“激光冷锻系统和方法”中的那样。这些方法一般使用流动在工件上的水屏或者其它提供限制等离子体的介质的方法。该介质使得等离子体迅速达到冲击波压力，后者产生构成LSP作用的弹性形变以及相关的残留应力图案。
激光冲击冷锻在燃气轮机领域产生了许多应用，其中一部分公布在如下的美国专利中：No．5756965“关于飞轮的激光冲击冷锻”、No．5591009“激光冲击冷锻燃气轮机扇叶边缘”、No．5569018“防止或避免裂纹的技术”、No．5531570“激光冲击冷锻燃气轮机压缩机叶片边缘的变形控制”、No．5492447“激光冲击冷锻涡轮机转子部件”、No．5674329“覆盖粘附带激光冲击冷锻”和No．5674328“覆盖干带激光冲击冷锻”，所有这些都转让给本发明的受让人。这些应用以及其它应用需要用于激光冲击冷锻生产运行的有效的质量保证评定方法。
激光冲击冷锻处理已经发展到同时LSP风扇和压缩机翼面及叶片的前缘和后缘的受压面和负压面，如公布在美国专利No．5591009“激光冲击冷锻燃气轮机扇叶边缘”和美国专利No．5531570“激光冲击冷锻燃气轮机压缩机叶片边缘的变形控制”。用于冲击冷锻质量控制领域的单面冲击冷锻阿尔门片(Almen strips)是众所周知的，见美国专利No．2620838。可是，阿尔门片没有设计成提供单个激光光束冲击作用的测量。LSP处理包含使用高脉冲能量和短脉冲宽度的激光系统。高能量和短时间的结合以及光束路径稳定性的变化(例如在水／空气界面)限制了用来校验供给被处理部件的实际(校准)能量的电子测量系统的使用。
一种已被使用的激光冲击冷锻质量保证技术是叶片的高频疲劳(HCF)测试，其中叶片的前缘在测试前已被LSP并且在LSP区域已被切口。该方法对测试件是损坏性的，它非常昂贵、耗费执行时间、明显降低生产速度和检验被LSP部件的处理速度。HCF测试是随机抽样技术并且是粗糙的统计质量测量。非常需要一种改进的测量和控制LSP处理的质量保证方法，该方法是非损坏性评定(NDE)、不昂贵、准确、快速。还需要NDE质量保证方法，它相对便宜并且足够经济以至直接用于实际工件而取代间接用于工件的损坏性抽样。象任何生产技术一样，LSP是一种包含机器并且耗时而又昂贵的处理。因此，任何能减小生产机器和／或生产时间数量或复杂性的技术都是十分需要的。
本发明对用于激光冲击冷锻处理的单个激光发射的瞬时持续期内激光产生的等离子体所射的发光的瞬时光谱强度进行测量。最好，本发明使用可以从日本Hamamatsu获得的条纹摄像机这样的光学装置通过分析与气化材料有关的瞬时光谱来测量等离子体的瞬时光强度。
生产型激光冲击冷锻处理工件的方法包括对与生产型激光冲击冷锻处理期间各个激光冲击冷锻的发射激光产生的气化材料有关的等离子体持续期期间的短时间内的瞬时光谱光强度进行测量和记录。然后分析记录到的光谱瞬时数据以确定瞬时黑体等离子光谱，并且从该光谱确定等离子体相应时间的温度，然后被用来提供对生产型激光冲击冷锻的统计控制。
由瞬时光谱分析得到的生产型结果被用来确定生产型激光冲击冷锻处理是否可以接受。该方法的一个实施例用瞬时光谱分析的生产型结果比较瞬时光谱分析的测试结果和以测试工件高频疲劳测试为基础的高频疲劳破坏的相关性，其中测试工件与生产件相同或有关，并且被相同或类似的激光冲击冷锻装置进行激光冲击冷锻。在更具体的实施例中，每一个测试工件在其激光冲击冷锻区域内有破坏沉淀裂纹，其中的测试件被相同或类似的激光冲击冷锻装置进行激光冲击冷锻。
在一个实施例中，生产型工件是具有翼面的燃气轮机叶片，而测试型工件是在翼面的激光中击冷锻斑纹中具有切口的燃气轮机叶片，其中的切口是在翼面被激光冲击冷锻之后形成的。在翼面测试工件的多脉冲激光冲击冷锻斑纹形成期间，对每一个激光脉冲进行关于相关性的瞬时光谱分析。
本发明的一个实施例的相关性是等离子体辐射光谱与典型的黑体光谱形状的统计拟合，其中的等离子体由激光发射形成，并且等离子体发射光谱是在该等离子体的形成及短暂寿命期间测到的。另一个实施例使用生产型结果分析与统计拟合数据的比较，以便确定生产型激光冲击冷锻处理是否可以接受，其中的生产型结果分析来源于在物体上形成LSP区域的各个LSP过程，而统计拟合数据把物体疲劳寿命的延长与生产型结果分析所得到的尺度相联系。
本发明的优点很多，它包括降低成本、时间、人力和激光冲击冷锻处理期间执行质量保证测试的复杂性。本发明的另一个优点是提供加工中的质量控制，它允许在对实际生产型部件进行激光冲击冷锻处理期间、以及在加工的现场并且在加工过程中实时地执行质量标准测试。本发明有助于极大地减少激光冲击冷锻期间执行质量保证测试的停工时间。本发明替代目前用于QA的乏味、昂贵、耗时的切口高频疲劳测试处理。可以与实际部件或工件相互配合来执行QA，并且是高度可重复的，因而非常可靠地作为激光冲击冷锻的QA处理。
本发明还有几个其它的制造优点，包括测量部件上的激光能量，该能量不是指光束通过聚焦以及光束进入光学装置并通过空气／水界面(它改变激光束的聚焦和能量分布并且损失能量)之前的原始激光能量。本发明快速准确地测量每一个等离子体时期的定性效果。本发明的测量装置可以置于加工位置附近并且被频繁地应用、同时获得实时结果。本发明提供非常可靠和准确的QA处理，在很大程度上由于其可重复性和不依赖检测器光学装置捕获的光量。
本发明的上述方面和其它特征在下面的结合附图的描述中解释，附图中：
图1是对激光冲击冷锻(LSP)处理所产生的等离子体在发光时间的光谱强度进行测量的系统的典型实施例的图解说明，
图2是用图1中系统测量的在给定时间点的等离子体发射光谱的典型的图形说明，
图3是图2中的理想黑体辐射的典型的图形说明，它是去除了图2中离散发射线的发射光谱，
图4是用图1中系统测量的在等离子体持续期内几个时间点的黑体辐射的典型的图形说明，
图5是在图1的等离子体持续期内黑体光谱峰值强度波长随时间的变化以及等离子体温度和等离子体压力随时间变化的两条假设曲线的典型的图形说明，
图6是在图1的等离子体持续期内积分光谱峰值强度波长随时间变化的典型的图形说明，及其与激光冲击冷锻作用大小的关系(图中的比例为适合曲线被改变)，
图7是图1中扇叶的透视图，
图8是通过图7中线8-8所取的扇叶截面图，
图9是用于本发明的典型方法中的切口的扇叶的透视图，
图10是图1中叶片安装在按照本发明典型实施例的激光冲击冷锻系统中的示意的透视图，
图11是模拟图1中叶片的测试试样安装在按照本发明另一实施例的激光冲击冷锻系统中的示意的透视图，
图12是用测试数据构成的许多积分光谱峰值强度波长曲线的典型的图形说明，其中的一条曲线在图6中示出，
图13是从图12示出的许多积分光谱峰值强度波长曲线导出的相关曲线的典型的图形说明。
本发明提供对生产型工件的激光冲击冷锻处理进行质量控制的质量保证方法，其中的生产型工件以图1中具有激光冲击冷锻斑纹12的生产型扇叶108(图7和图8更完整地示出)为例。质量保证一般为试验或分析的过或者不过、合格或者不合格、接受或者拒绝类型。本发明的方法和技术包含对诸如典型的航空涡轮风扇发动机燃气轮机扇叶或其它象在美国专利No．5492447、No．5674329、No．5674328和No．5591009中公开的金属材料制成的工件进行激光冲击冷锻处理的质量保证。该方法是可以在以下情况下执行的测试：最好是在每一个工件的激光冲击冷锻期间或着在每一个工件的激光冲击冷锻之后，或者在对一批工件进行激光冲击冷锻之前或之后。本方法最好测试每一次激光发射。
图1中示出激光束102，它发射到激光冲击冷锻区域或斑纹12范围内的激光冲击冷锻面154上，其中的激光冲击冷锻区域或斑纹12上覆盖有象涂料或粘附带一样的烧蚀涂层161，以便形成涂层面155，就象美国专利No．5674329和No．5674328中公开的那样。该涂料或粘敷带提供烧蚀介质，在其上的最好是透明的约束介质，它可以是诸如水流121那样的透明流体屏。伴随每一次发射，烧蚀涂层161被烧蚀而产生等离子体8，后者随后对叶片或其它可以用来试验激光冲击冷锻处理的物体的金属材料表面产生冲击波。作为涂料的合适的选择，也可以用其它烧蚀材料来涂敷所述表面。这些涂层材料包括象美国专利No．5674329和No．5674328中公开的金属箔或粘敷塑料带。这些冲击波被流水屏121重新定向到涂层面155从而在所述涂层面下、在被激光冲击冷锻的物体中产生冲击波(强压波)。这些冲击波的幅值、形状、和数量确定LSP处理引起的弹性形变的程度，以及由此产生的压缩应力的深度和强度。烧蚀涂层用来保护目标面并且产生等离子体8。在一种典型的应用中，引起深压缩残留应力(在一个预压缩应力区156)的激光光束冲击一般大约为50～150 KPSI(每平方英寸千磅)，它从激光冲击冷锻表面154延伸大约20～70密尔的深度范围而进入预压力区156。
图1也给出用于对激光冲击冷锻处理期间单个激光束102发射时产生的等离子体8的瞬时光强度进行测量的系统10的典型实施例的图解表示。从使用系统10获得的光谱／瞬时光强度数据导出的结果被用来执行激光冲击冷锻处理的质量控制的质量保证方法。在激光束102发射而产生的等离子体8的持续期期间的时间PT期，诸如甚快速行扫描分光仪的条纹摄像机6或其他装置被用来对等离子体8在各个时间点辐射的光谱(图2中所示)进行光谱／瞬时测量。
条纹摄像机6记录对应时间的光谱光强度数据，该数据馈送到计算机17进行数据分析，监视器19显示其结果。计算机用来分析能量谱的形状，它表示在等离子体持续期期间非常短的期间内(对于出现时间为5纳秒的激光脉冲，大概象1纳秒那样短)该光谱的能量的相对分布。能量谱的一般形状在图2示出，其中发射光谱表示随波长而变的光强度图形。由等离子体发射的光谱图像既包含线结构又包含分布在整个光谱上的一般背景。分布在这两种方式之间的能量的相对比例部分地依赖于检测器的光谱分辩率。分辩率越差，结合到一般背景的线结构越多。对于黑体辐射体而言，白炽源的光谱能量分布为图3示出的形式。无论线结构是否完全结合，能量分布都将包含象黑体辐射情况那样的光谱高能量(较短波长)端的峰值。随着温度的提高，峰值会偏向光谱的更短波长端。在本发明一个实施例的实际情况中，所述部分结合的光谱数据与理想黑体光谱的拟合用于确定等离子体整个持续期的有效黑体温度，它与瞬时压力有关。在生产运行期间，最好以工件合格或不合格的高频疲劳相关的形式，将测量的光谱数据与预定的光谱标准进行比较。
预定标准最好基于光谱测试数据对测试型工件的高频疲劳数据的相关性，其中的测试型工件以图9中所示的被激光冲击冷锻及被切口的叶片109为例。
参考图7和图8，生产型扇叶108包括翼面134和扇根部分140，其中翼面134从叶片扇台136辐射延伸到叶片扇尖138，扇根部分140从扇台136向里辐射延伸。扇根部分140有通过叶片胫144接到扇台136的叶片根142。翼面134在翼面的前缘LE与后缘TE之间弦向延伸。图8中示出的以叶片的每一个横断面的前缘LE与后缘TE之间的直线为翼面134的弦CH。翼面134的受压面146背离箭头V的一般旋转方向，而负压面148在扇面的另一面，而中线ML一般位于弦向的两个面之间的中间位置。
生产型扇叶108有前缘部分150，它沿着翼面134的前缘LE由叶片扇台136延伸到叶片扇尖138。前缘部分150包括预定的第一宽度W，因而前缘部分150包含发动机工作期间沿翼面134的前缘可能出现裂口和裂缝的区域。由于在发动机工作期间扇叶108旋转而产生离心力，所以，翼面134承受显著的张力应力。翼面134还承受发动机工作期间产生的振动，并且裂口和裂缝作为高频疲劳应力溢出口(riser)在它们周围产生附加的应力集中。
为了抵消叶片沿可能的裂纹线(从裂口和裂缝发展和发散)部分的疲劳损坏，激光冲击冷锻斑纹12沿前缘LE部分布置，由于高频疲劳，这些位置最初的裂口和裂缝可能引起叶片的损坏。激光冲击冷锻斑纹12沿前缘LE部分布置，典型的预定第一方式损坏线LM可能从这些位置开始。在激光冲击冷锻斑纹12范围内，至少一个并且最好受压面146和负压面148两者同时被激光冲击冷锻，以便分别形成相对布置的第一和第二激光冲击冷锻叶片面154a和154b以及预应力叶片区156a和156b，由图8可见，它们具有从激光冲击冷锻面延伸进入到翼面134的激光冲击冷锻(LSP)产生的深压缩残留应力。预应力叶片区156a和156b图示为仅沿着前缘部分150的一部分，但如果需要的话，可以沿整个前缘LE或者其更长的部分延伸。
本发明质量保证的方法在生产型叶片108的激光冲击冷锻期间进行或者最好对形成激光冲击冷锻斑纹12的每一次激光发射进行。另外，在后续对一批生产型叶片108进行激光冲击冷锻处理之前，QA测试也可以对牺牲叶片或试样进行，以便提供用于激光冲击冷锻处理控制的数据。最好，在具有相同的激光冲击冷锻处理设备处理参数光束特征和用于生产型扇叶108的材料情况下，对激光束102每一次发射形成的每一个等离子体8进行瞬时光谱测量。这容许操作员在生产线使用该方法检查某些或所有生产工件，以便在对整个生产工件影响最小的情况下实行实时质量保证。
为了提供对激光冲击冷锻处理效果的改进，研究了每一次激光发射的光谱／瞬时特性与激光冲击斑纹内这些发射的空间位置之间的相关性以及被该方法处理的叶片的疲劳寿命。用于激光冲击冷锻的试验激光冲击冷锻面154被用来建立相关性。试验激光冲击冷锻面154最好是与生产型工件同类型的物体，在该实施例中它是试验叶片109。还能使用与生产型工件相同的材料并且以相同方式制备或涂敷的测试试样110，如图11所示，在相关性激光冲击冷锻期间和在生产型激光冲击处理期间，最好用相同的方式来进行这些测量。
激光冲击冷锻等离子体的发射光谱的一般形式在图2中以其光强度相对于光波长的形式示出。在等离子体8的持续期期间利用条纹摄像机6可以捕获具体的光谱细节。光能量被示为分配在离散线结构形式散发的光能量和象更连续的黑体辐射体似分布的散发光能量之间。在这两种形式之间的能量相对分布会随着等离子体中的温度、压力和时间而改变。能量的相对分布似乎也将随着检测器的光谱分辩率而出现变化。分辩率越差，结合到一般类似黑体的分布中的线结构越多。本发明最佳实施例使用对应时间的等离子体的瞬时光谱数据与有关温度的黑体辐射能量分布的拟合来确定等离子体的瞬时温度。然而，以在特定处理参数下和使用特定的牺牲处理材料所产生光谱为基础的类似黑体的能量分布也能用来确定瞬时温度。离散发射线24的相对强度也能用来确定等离子体温度。应当指出，该专利黑体辐射分布的目的意指包括在此讨论的各种形式的黑体辐射分布，包括类似黑体的能量分布、实际测量的黑体辐射分布和理想黑体能量分布。
最好，通过有选择地遮蔽光谱图像平面来阻止离散发射线24，以便将被分析的光谱限制到黑体相关的成分，如图3显示的黑体辐射曲线20。借助于在光谱图像平面附近的部分传输物理滤波器，可以滤除离散发射线24；或者使用图1中的计算机17，借助计算机算法来以计算方式滤除离散发射线24。反过来也成立，或者通过遮蔽不需要的光谱部分(如上所述)、或者通过窄带带通滤波，所需各个发射线可以有选择地通过。
对于峰值温度的确定，不必获取整个类似黑体的光谱来确定理想黑体能量分布的拟合。在某些特别选择的光谱位置(波长)的几次光强度测量可能足以用于峰值温度的确定，因此足以用于压力的确定。
图4示出一系列假设的类似黑体的辐射曲线20，它们代表在等离子体8持续期的PT期间分别在一系列从第一到第十一的时间点T1到T11由等离子体发射的瞬时光谱。应当指出，这些曲线表示被处理的光谱数据或该数据与类似黑体的函数的拟合，并且对于每一个时间点的每一条曲线都有相应的一个第一到第十一中的发射光谱峰值强度点PI1到PI11。
图5示出等离子体的类似黑体的光谱峰值强度波长L和等离子体温度及等离子体压力怎样随等离子体8持续期时间间隔PT内的时间而变化。这些参数的瞬时光谱函数或曲线或分布从条纹摄像机6测得的发射光谱导出。本发明的一个实施例使用这些参数曲线或分布中的一个作为相关函数，用于生产期间的质量保证测试。难以通过条纹摄像机6测得的发射光谱来导出温度和压力，可是，由光谱数据对黑体或类似黑体的函数的拟合确定的黑体或类似黑体的光谱峰值强度波长L不再需要复杂的计算。相对于时间的等离子体压力的确定是用于建立与疲劳寿命的相关性的合乎需要的关系，但是用于导出压力精确测量的所需各种计算和经验学习可能是不值得花费的。
最佳相关性函数或曲线是用于三个参数函数或曲线(图5中等离子体8的持续期的短时间间隔PT内的光谱峰值强度波长L、等离子体温度T、或等离子体压力P)之一的参数时间积分函数或曲线。通过对等离子体8持续期时间间隔PT内的参数函数或曲线求积分而导出时间积分函数或曲线，从三个参数曲线中的任何一个来导出相关函数或曲线。
图6示出的是积分光谱峰值强度波长曲线A1，它表示本发明相关性的一个实施例的分析步骤。相关性测试最好以诸如由高频疲劳(HCF)测试提供的疲劳损坏的周期数为基础。在此的一个典型实施例中，在各个点进行等离子体8的光谱的瞬时测量(图2示出)期间，例如在等离子体持续期期间的5～20测量，对切口的测试叶片109进行激光冲击冷锻，每一个激光束102的发射为几纳秒。然后对于每一次发射或激光束发射来计算象图6示出的那样的积分光谱峰值强度波长曲线A1。这产生了许多图12中示出的积分光谱峰值强度波长曲线B，它然后被直接作为或者用来导出用于激光冲击冷锻生产运行期间的相关曲线或函数，就象图13示出的那样。在生产型工件的激光冲击冷锻生产运行期间，相同的光谱测量和分析被用来产生生产积分光谱峰值强度波长曲线，后者然后与许多积分光谱峰值强度波长曲线B或由许多B曲线导出的相关性进行比较，用于利用过或者不过判断标准的质量保证。
最好按照与实际生产型扇叶108同样的方式制造测试件或测试叶片109，测试叶片109被激光冲击冷锻形成斑纹12后其上添加有切口152。在产生许多积分光谱峰值波长曲线B或者记录和存储条纹摄像机的原始光谱数据后，将测试叶片109振动在其第一方式频率直到它被损坏。为了建立相关性，大量测试叶片109或仅一片测试叶片109被切口(notched)并且承受高频疲劳测试。切口152表示沉淀裂纹损坏并且位于预应力叶片区156a和156b的预定位置附近的前缘LE，其中的预应力叶片区156a和156b分别在叶片被激光冲击冷锻后形成。最好，切口152最好以诸如第一方式线LM的预定方式线为中心。如果时间的长短和正在离开叶片的施力作用大小满足标准或测试判断标准，那么它是可以接受的，并且其各自的许多积分光谱峰值强度波长曲线B被用于生产运行期间的质量保证测试时的相关性曲线。可以设想，只要生产激光冲击冷锻参数不改变，一次校准可以用于整个生产期间。另一个实施例提供以低频疲劳(LCF)产生的疲劳损坏周期数为基础的相关性测试。
激光冲击冷锻生产运行期间的光谱分析与前面有关相关性运行所描述的相同，但没有那么多的时间和波长点需要分析。可以使用计算机分析几个点并且将其相关性显示在屏幕19上，以便把生产速度的降低最小化。
图12示出用于生产型工件合格或不合格测试的一种相关性，它具有合格范围或者上限与下限之间的范围。诸如改变激光光束注量(fluence)的激光冲击冷锻处理的变化可以分别用来建立上和下积分光谱峰值强度波长界限AU和AL、积分光谱峰值强度波长均值AM以及从图12示出的许多积分光谱峰值强度波长曲线B出发研究相关性。它然后被用作为激光冲击冷锻生产运行期间使用的诸如图13示出的导出相关性或函数。另外，可以分析并使用与理想校正曲线的统计偏差来确定生产型工件的合格或不合格。在生产运行期间，从等离子体光谱摄像机6测得的光强度导出的积分光谱峰值强度波长曲线的实际数据最好显示在屏幕19，用于每一个叶片的实时QA测试。
图10和图11示出的是用于激光冲击冷锻生产型扇叶108的激光冲击冷锻系统101。生产型扇叶108安装在夹具88上，其中夹具88连接到五轴计算机数控(CNC)操纵器127，商业上该操纵器可以从Huffman公司获得(地址：1050 Huffman Way，Clover，SC 29710)。典型实施例中示出的五轴运动是CNC机械加工中众所周知的常规平移轴X、Y和Z以及常规的旋转轴A和C。操纵器127最好用来移动和定位生产型扇叶108，并且实现按照激光冲击冷锻方法的及本发明的激光冲击冷锻“高速旋转”。操纵器127被用来连续移动和定位叶片，以提供按照本发明的一个实施例的激光冲击冷锻“高速旋转”。可以通过大量的不同方式，使用涂料或带子作为烧蚀介质(具体见美国专利No．5674329“粘敷带覆盖激光冲击冷锻”)来进行激光冲击冷锻。相同的激光冲击冷锻装置被用于对生产型叶片108和测试型叶片109前缘LE的斑纹12进行激光冲击冷锻处理。
当穿过流水屏121对涂层面155递增地发射稳定的高功率激光束102并且形成重叠的激光冲击冷锻圆斑158时，生产型扇叶108可以或者连续移动或者逐步移动。考虑到相关性，在生产运行和HCF测试运行期间生产型扇叶108最好以相同的方式被激光冲击冷锻。图中示出水屏121由常规供水管119端头的常规喷水嘴123提供。激光冲击冷锻系统101有常规发生器131，后者具有振荡器133、前置放大器139A、光束分离器143以及光学装置135，光束分离器143馈送前置放大后的激光束进入两束光传输电路(它们各自分别有第一和第二放大器139和141)，光学装置135包括将激光光束发射和聚焦到涂层表面155的光学器件。控制器124可用来调制和控制激光冲击冷锻系统101，以便按照所控制的方式发射激光光束102到涂层表面155。被烧蚀的涂层材料由流水屏121冲洗掉。
图11示出即在生产运行又在校准执行期间使用实际或代表性工件的替代方案。在生产叶片或工件的生产运行期间的各个时间，在一个或多个测试试样110上形成斑纹12。相同类型的试样将用来产生校准曲线，例如在为了建立图12和图13示出的相关曲线和函数而对被激光冲击冷锻和切口的叶片进行HCF不合格测试之后的运行开始时刻。
重要的是应当指出，当操纵器127旋转和移动扇叶108时，摄像机6可以恰象激光光束102保持固定一样而保持固定。这一特征对于本发明的易于使用是非常重要的，并且部分地归因于使用相关光谱光强度数据，特别是峰值强度波长的方法。
由于为了解释原理起见，本发明的最佳实施例已被充分描述。显然，在不离开后附的权利要求书中提出的本发明范围的情况下可以对最佳实施例作出各种修改和变化。
13DV-12804部件清单
6．streak camera条纹摄像机
8．plasma等离子体
10．system系统
12．patch斑纹17．computer计算机19．monitor监视器20．black body radiation curve黑体辐射曲线24．emission lines发射线88．fixture夹具101．laser shock peening system激光冲击冷锻系统102．laser beam激光光束108．production fan blade生产型扇叶109．notched test blades切口测试叶片110．test coupon测试试样119．supplytube供水管121．curtain of flowing water流水屏123．water nozzle喷水嘴124．controller控制器127．manipulator操纵器131．generator发生器133．oscillator振荡器134．airfoil扇面135．optics光学装置136．blade platform叶台138．blade tip叶尖139．first amplifier第一放大器139A．pre-amplifier前置放大器140．root section根部分141．second amplifier第二放大器143．beam splitter光束分离器144．blade shank叶胫146．pressure side受压面
148．suction side负压面
150．leading edge前缘
152．notch切口
154．laser shock peened surface激光冲击冷锻面
154a．first laser shock peened blade surface第一激光冲击冷锻叶面
154b．second laser shock peened blade surface第二激光冲击冷锻叶面
155．coated surface涂层面
156．pre-stressed region预应力面
156a．first pre-stressed blade region第一预应力叶片区
156b．second pre-stressed blade region第二预应力叶片区
158．circular spots圆斑
161．ablative coating烧蚀涂层
A1-wavelength curve波长曲线
B-wavelength curve波长曲线
A-rotational axes旋转轴
C-rotational axes旋转轴
AU-upper integrated spectral peak wavelength limits积分光谱峰值波长上限
AL-lower integrated spectral peak wavelength limits积分光谱峰值波长下限
AM-integrated spectral peak wavelength mean积分光谱峰值波长均值
CH-chord弦
L-peak intensity wavelength峰值强度波长
LM-first mode line第一方式线
ML-mean-line均值线
P-plasma pressure等离子体压力
PT-period of time时间间隔
T-plasma temperature等离子体温度
V-arrow箭头
W-width宽度
T1-T11 first through eleventh points in time第一到第十一时间点
PI1-PI11 first through eleventh peak intensity points第一到十一峰值强度点
X-translational axes平移轴
Y-translational axes平移轴
Z-translational axes平移轴
LE-leading edge前缘
TE-trailing edge后缘

Claims (24)

1．生产型工件的激光冲击冷锻处理的质量控制测试方法，该方法包括如下步骤：
(a)从激光冲击冷锻装置向与所述工件有关的金属表面发射至少一个激光光束脉冲并形成具有持续期的等离子体，所述等离子体在该持续期内在所述表面下形成一个区域，所述区域具有所述激光冲击冷锻处理产生的深压缩残留应力，
(b)在所述等离子体持续期的时间间隔内，在相应的多个时间点测量多个由等离子体辐射的发射光谱，
(c)将光谱内的能量相对分布与合格或不合格判断标准进行比较，以便接受或拒绝所述工件。
2．权利要求1的方法，其特征在于：所述金属表面在生产型工件上并且相关性基于测试件的高频疲劳测试，所述测试件基本上与所述生产件相同并且用相同或相似的激光冲击冷锻装置进行激光冲击冷锻。
3．权利要求1的方法，其特征在于：所述合格或不合格判断标准是发射光谱内能量的相似的相对分布对高疲劳损坏数据的相关性。
4．权利要求1的方法，其特征在于
所述光谱内能量的相对分布是关于所述时间间隔内的时间的黑体辐射强度波长分布，
所述峰值强度波长分布是通过确定每一个所述发射光谱的峰值强度波长来获得的，以及
所述比较光谱内能量的相对分布包含将峰值强度波长分布的黑体辐射峰值强度波长数据与用于接受或拒绝工件的合格或不合格判断标准进行比较。
5．权利要求4的方法，其特征在于：所述合格与不合格判断标准是峰值强度波长测试数据对接受或拒绝工件的高频疲劳损坏测试数据的相关性。
6．权利要求4的方法，其特征在于：所述合格或不合格判断标准是峰值强度波长测试数据对接受或拒绝工件的低频疲劳损坏测试数据的相关性。
7．权利要求4的方法，其特征在于：所述合格与不合格判断标准是在所述等离子体持续期时间间隔内积分的峰值强度波长测试数据对接受或拒绝工件的高频疲劳损坏测试数据的相关性。
8．权利要求7的方法，其特征在于：所述测试件每一个在其激光冲击冷锻区域内都有沉淀裂纹损坏，所述测试件被用相同或者相似的激光冲击冷锻装置进行激光冲击冷锻。
9．权利要求1的方法，其特征在于：所述金属表面处在由相同或相似于所述生产型工件的材料制成的金属试件上。
10．用于生产型工件的激光冲击冷锻处理的质量控制测试方法，所述方法包括如下步骤：
(a)通过从激光冲击冷锻装置对所述生产型工件表面发射多个激光光束脉冲来激光冲击冷锻所述生产件表面并形成多个等离子体，对应每一个所述脉冲的每一个所述等离子体都有持续期，所述等离子体在所持续期内在所述表面下形成一个区域，所述区域具有所述激光冲击冷锻处理产生的深压缩残留应力，
(b)在所述等离子体持续期时间间隔内相应的多个时间，测量由所述等离子体的至少一部分的每一个等离子体辐射的多个发射光谱，
(c)将每一个所述等离子体光谱内的能量的相对分布与用于接受或拒绝所述工件的合格或不合格判断标准进行比较。
11．权利要求10的方法，其特征在于：所述合格或不合格的判断标准是所述发射光谱内的相似的相对能量分布对高疲劳损坏数据的相关性。
12．权利要求10的方法，其特征在于：
所述光谱内能量的相对分布是关于所述时间间隔内的时间的黑体辐射峰值强度波长分布，
通过确定每一个所述发射光谱的峰值强度波长来获得所述峰值强度波长分布，以及
所述比较光谱内的能量相对分布包含将峰值强度波长分布的黑体辐射峰值强度波长数据与用于接受或拒绝工件的合格或不合格判断标准进行比较。
13．权利要求12的方法，其特征在于：所述合格与不合格判断标准是峰值强度波长测试数据对用于接受或拒绝工件的高疲劳损坏测试数据的相关性。
14．权利要求12的方法，其特征在于：所述合格与不合格判断标准是在所述等离子体持续期时间间隔内积分的峰值强度波长测试数据对用于接受或拒绝工件的高疲劳损坏测试数据的相关性。
15．权利要求14的方法，其特征在于：所述测试件每一个在其激光冲击冷锻区域内都有损坏沉淀裂纹，所述测试件被用相同或者相似的激光冲击冷锻装置进行激光冲击冷锻。
16．燃气轮机生产型叶片的激光冲击冷锻处理的质量控制测试方法，所述方法包括如下步骤：
(a)从激光冲击冷锻装置对每一个生产型叶片有关的金属表面发射至少一个激光光束脉冲并形成具有持续期的等离子体，所述等离子体在所述持续期内在所述表面下形成一个区域，所述区域具有所述激光冲击冷锻处理产生的深压缩残留应力，
(b)在所述等离子体持续期时间间隔内相应的多个时间，测量由所述等离子体辐射的多个发射光谱，
(c)将光谱内的能量相对分布与用于接受或拒绝所述叶片的合格或不合格判断标准进行比较。
17．权利要求16的方法，其特征在于：所述金属表面处在每一个生产型叶片上，并且相关性以测试型叶片的高频疲劳测试为基础，所述测试型叶片基本上与所述生产型叶片相同并且用相同或相似的激光冲击冷锻装置进行激光冲击冷锻。
18．权利要求16的方法，其特征在于：所述合格或不合格的判断标准是所述发射光谱内相似的相对能量分布对所述测试型叶片高疲劳损坏数据的相关性。
19．权利要求16的方法，其特征在于
所述光谱内的相对能量分布是关于所述时间间隔内的时间的黑体辐射峰值强度波长分布，
通过确定每一个发射光谱的峰值强度波长来获得所述峰值强度波长分布，以及
所述比较光谱内能量的相对分布包含将峰值强度波长分布的黑体辐射峰值强度波长数据与用于接受或拒绝生产型叶片的合格或不合格判断标准进行比较。
20．权利要求19的方法，其特征在于：所述合格与不合格判断标准是峰值强度波长测试数据对用于接受或拒绝生产型叶片的测试型叶片的高频疲劳损坏测试数据的相关性。
21．权利要求19的方法，其特征在于：所述合格或不合格判断标准是峰值强度波长测试数据对用于接受或拒绝生产型叶片的测试型叶片的低频疲劳损坏测试数据的相关性。
22．权利要求19的方法，其特征在于：所述合格与不合格判断标准是所述等离子体持续期的时间间隔内对峰值强度波长测试数据的积分对用于接受或拒绝生产型叶片的测试型叶片的高频疲劳损坏测试数据的相关性。
23．权利要求22的方法，其特征在于：所述生产型叶片和测试型叶片的所述金属表面是沿着所述叶片的前缘的至少一部分，所述测试型叶片每一个都有在其激光冲击冷锻区域内的损坏沉淀裂纹，所述测试叶片用相同或相似的激光冲击冷锻装置进行激光冲击冷锻。
24．权利要求23要求的方法，其特征在于：所述的损坏沉淀裂纹是位于所述测试型叶片前缘的所述部分中的切口。
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