一种变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法

摘要

本发明公开一种变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法，本发明技术方案通过以叶片结构特征为依据设置纳秒脉冲激光的脉冲宽度，控制诱导冲击波在叶片内的穿透深度，进而控制生成残余应力的分布深度，最终实现叶片不同区域的残余应力分布与结构特征的一致性匹配，达到强化和保形的双重目的。本发明可实现叶缘(进排气边)全厚度残余压应力分布，消除叶根应力集中而无宏观变形，适用于航空涡扇发动机风扇、各级压气机钛合金叶片的激光喷丸强化处理。

说明书

技术领域

本发明涉及激光喷丸表面强化技术领域，特别涉及一种变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法。

背景技术

激光喷丸强化(Laser Shock Peening,LSP)是一种高效的表面强化技术，利用激光冲击波的力学效应，在金属材料表层形成高幅值残余压应力和微观组织变化，通过引入残余压力抑制裂纹萌生和扩展进而提升部件的疲劳强度和寿命，其中美国航空发动机的叶片制造过程中已广泛采用该技术。

航空发动机的风扇或者压气机叶片尺寸跨度较大且壁薄(长度为20～800mm，壁厚为0.5～2mm)，并且具有复杂的曲面外形和变化的横截面，是典型的弱刚性薄壁类构件。在进行激光喷丸强化时由于引入高幅值残余应力面临以下共性基础问题：喷丸导致的残余压应力场和叶片尺寸稳定性问题以及变截面结构厚度不同的强化效果一致性问题。

为解决上述问题，中国专利CN105002349A“一种变光斑多层交错激光冲击均匀强化叶片的方法”使用相邻光斑紧挨不搭接的方式，进行多次变光斑的层间交错冲击，其中第一层大光斑主要用于激光冲击产生较深残余应力层，而第二层和第三层交错冲击用于消除光斑边界效应，减少加工表面的粗糙度。但是该方法只是改变光斑尺寸和搭接率，并没有调控影响残余应力分布特性的激光能量和脉冲宽度，因此该方法仅能在特定的层深范围内均匀化激光喷丸的应力分布，不能保证形状精度。

中国专利CN103205545 A“一种激光冲击处理发动机叶片的组合方法及装置”通过调节聚焦镜和叶片之间距离以调节光斑大小，实现功率密度调节，使叶片边缘表层残余压应力和未处理区域实现平缓过渡。该方法在本质上改变激光喷丸的功率密度，因此只能调控生成残余应力幅值，不能控制应力分布深度，也不能控制外形精度，而且功率密度与光斑尺寸存在约束关系，对薄壁叶片采用大光斑会导致光斑搭接边界效应，影响尺寸精度和表面质量。

中国专利CN104862468 A“基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法”采用渐变搭接率冲击叶片根部使残余应力场的分布变化趋于平缓，采用激光双面冲击方式，避免单面激光冲击造成叶片的变形与破坏，同时冲击使叶片正反两面受力相同。但该方法只进行了搭接率参数的优化，在本质上对于影响残余应力特性的激光能量和脉冲宽度参数都未设置，因此对应力分布幅值和深度难以精确调控，不具备叶片强化与保形工艺要求。

因此使激光喷丸表面强化过程中的叶片激光喷丸残余应力场和结构特性的一致性匹配，以及解决尺寸精度控制和残余应力特性控制的技术问题具有极其重要的意义。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法，旨在提高叶片激光喷丸残余应力场和结构特性的一致性匹配，解决尺寸精度控制以及残余应力特性控制的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法，该方法以叶片结构特征为依据设置纳秒脉冲激光脉冲宽度，控制诱导冲击波在叶片内的穿透深度，进而控制生成残余应力的分布深度，实现叶片不同区域的残余应力分布与结构特征相匹配。

优选地，本发明变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法，包括以下步骤：

S1：根据叶缘壁厚薄刚性弱设置短脉冲宽度，以浅深度残余压应力层和多层喷丸叠加实现全厚度压应力分布；

S2：叶缘向叶身过渡区厚度逐渐增大，设置变脉冲宽度与截面厚度成正比，并且减少喷丸次数，实现处理区域向未处理区域的应力平缓过渡；

S3：叶根处设置短脉冲激光喷丸参数，以浅层残余压应力多层喷丸消除应力集中，避免叶片宏观扭转变形。

优选地，所述激光脉冲宽度、诱导冲击波在叶片内的穿透深度、产生残余应力的分布深度三者之间呈正相关。

优选地，采用短脉冲激光喷丸产生层深较浅的残余压应力分布，同时保持结构外形不改变。

优选地，通过多层喷丸叠加残余压应力，实现更深的应力分布。

本发明技术方案通过以叶片结构特征为依据设置纳秒脉冲激光的脉冲宽度，控制诱导冲击波在叶片内的穿透深度，进而控制生成残余应力的分布深度，最终实现叶片不同区域的残余应力分布与结构特征的一致性匹配，达到强化和保形的双重目的。

本发明可实现叶缘(进排气边)全厚度残余压应力分布，消除叶根应力集中而无宏观变形，适用于航空涡扇发动机风扇、各级压气机钛合金叶片的激光喷丸强化处理。

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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例16ns脉冲宽度诱导的冲击波特性图；

图2为本发明实施例8ns脉冲宽度诱导的冲击波特性图；

图3为本发明实施例叶片激光喷丸处理区域图；

图4为本发明实施例叶缘处短脉冲激光喷丸示意图；

图5为本发明实施例叶缘向叶身过渡区喷丸示意图；

图6为本发明实施例叶根激光喷丸示意图。

附图标号说明：

标号名称标号名称116ns脉冲宽度诱导的冲击波7排气边28ns脉冲宽度诱导的冲击波8叶根3试件9叶片横截面4诱导冲击波10厚向残余应力分布5叶片11叶身过渡区6进气边12圆角

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法，该方法以叶片结构特征为依据设置纳秒脉冲激光脉冲宽度，控制诱导冲击波在叶片内的穿透深度，进而控制生成残余应力的分布深度，实现叶片不同区域的残余应力分布与结构特征相匹配。

具体地，本发明变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法，包括以下步骤：

S1：根据叶缘壁厚薄刚性弱设置短脉冲宽度，以浅深度残余压应力层和多层喷丸叠加实现全厚度压应力分布；

S2：叶缘向叶身过渡区厚度逐渐增大，设置变脉冲宽度与截面厚度成正比，并且减少喷丸次数，实现处理区域向未处理区域的应力平缓过渡；

S3：叶根处设置短脉冲激光喷丸参数，以浅层残余压应力多层喷丸消除应力集中，避免叶片宏观扭转变形。

优选地，所述激光脉冲宽度、诱导冲击波在叶片内的穿透深度、产生残余应力的分布深度三者之间呈正相关。

优选地，采用短脉冲激光喷丸产生层深较浅的残余压应力分布，同时保持结构外形不改变。

优选地，通过多层喷丸叠加残余压应力，实现更深的应力分布。

实施例

由于纳秒脉冲激光喷丸功率密度的选取与待加工材料、处理区域工况相关。本发明实施例的叶片为材质TC4或者TC17的钛合金叶片，选用激光喷丸功率密度为5～7GW/cm²，根据激光功率密度公式I＝E/(S×t)，其中E为激光单脉冲能量，S为光斑面积，t为激光脉冲宽度。其中激光单脉冲能量E影响产生残余应力的幅值，激光脉冲宽度t影响残余应力的分布深度。

本发明技术方案中变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法的工作原理是，激光脉冲宽度、诱导冲击波在叶片内的穿透深度、残余应力的分布深度三者之间呈正相关，采用短脉冲激光喷丸产生层深较浅的残余压应力分布，同时保持结构外形不变，通过多层喷丸叠加残余压应力，实现更深的应力分布。

在图1中，当输入激光脉冲宽度为16ns时，在试件3厚度方向上，16ns脉冲宽度诱导的冲击波1穿透深度如图1所示。在图2中，当输入激光脉冲宽度为8ns时，在试件3厚度方向上，8ns脉冲宽度诱导的冲击波2穿透深度如图2所示。显然，在试件3厚度方向上，当输入激光脉冲宽度为16ns的长脉冲宽度的穿透深度深于当输入激光脉冲宽度为8ns的短脉冲宽度。

本发明技术方案以叶片结构特征为依据设置纳秒脉冲激光的脉冲宽度，控制生产残余应力的分布深度，最终实现叶片5不同区域的残余应力分布与结构特征的一致性匹配，达到强化和保形的双重目的。如图3所示，叶片5需要进行处理的区域包括进气边6、排气边7、叶面与榫槽过渡处的叶根8，通过在不同厚度区域需要设置变脉冲宽度实现残余应力与结构特征相匹配。

具体地，本发明变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法的步骤包括：

请参见图4，根据叶缘壁厚薄刚性弱设置相应的短脉冲宽度，以浅深度残余应力层和多层喷丸叠加实现全厚度压应力分布。叶片横截面9为不等厚分布，进气边6采用8ns短脉冲激光喷丸处理，产生诱导冲击波4的深度较浅，同时通过多层叠加处理保证形状精度，最终在进气边全厚度截面产生厚向残余应力分布10。

请参见图5，然后由叶缘向叶身过渡区厚度逐渐增大，设置变脉冲宽度与截面厚度匹配，减少喷丸次数，实现处理区域向未处理区域的应力平缓过渡。叶缘向叶身过渡区11厚度逐渐增大，此区域进行激光喷丸处理的作用是减缓处理区域与未处理区域之间的应力梯度，保持残余应力强化效果。因此根据叶面厚度设置渐变的脉冲宽度，区间为[8ns，16ns]，脉冲宽度与截面厚呈正比。产生渐变诱导冲击波4，将全压应力分布逐渐过渡为较为平衡的应力分布曲线。如图5所示的厚向残余应力分布10。

请参见图6，在叶根处设置短脉冲激光喷丸参数，以浅层残余压应力多层喷丸消除应力集中，避免叶片宏观扭转变形。叶面过渡区叶根处的圆角12，由于尺寸突变造成的应力集中严重影响叶片的使用性能，采用8ns短脉冲激光喷丸参数形成较浅的残余压应力层保持叶片无宏观变形，然后进行3-5次喷丸叠加形成强约束残余压应力，从而改善叶根8的应力集中。

本发明变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法可实现叶缘(进排气边)全厚度残余压应力分布，消除叶根应力集中而无宏观变形，适用于航空涡扇发动机风扇、各级压气机钛合金叶片的激光喷丸强化处理。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。