專利名稱：用瞬時等離子體光譜分析監(jiān)視和控制激光沖擊冷鍛的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于對金屬表面進行激光表面處理的質(zhì)量保證的處理監(jiān)視方法，更具體地說，涉及通過測量激光產(chǎn)生的等離子體在其持續(xù)期所發(fā)射的光的光譜強度來提供激光沖擊冷鍛(LSP)處理的質(zhì)量保證的方法。
激光沖擊冷鍛或者激光沖擊處理一般認為是通過激光沖擊冷鍛工件表面區(qū)域而產(chǎn)生深壓縮殘留應(yīng)力區(qū)域的處理。激光沖擊冷鍛一般使用來自高功率脈沖激光器的一個或多個輻射脈沖在工件表面產(chǎn)生強沖擊波，類似于公開在美國專利No．3850698“改變材料特性”、美國專利No．4401477“激光沖擊處理”和美國專利No．5131957“材料特性”中的方法。激光沖擊冷鍛，如同從技術(shù)上理解并在此使用的一樣，意味著使用來自激光光束源的脈沖激光光束，通過瞬時燒蝕或氣化工件表面的薄層或工件表面的涂層(例如帶子或涂層)而在激光光束的沖擊點產(chǎn)生爆炸力，用來在工件表面的某部分產(chǎn)生強大的局部壓縮力。
激光冷鍛已被用來在工件的外表面形成壓縮應(yīng)力保護層，據(jù)悉這極大地增加了工件的抗疲勞損壞性，如同公開在美國專利No．4937421“激光冷鍛系統(tǒng)和方法”中的那樣。這些方法一般使用流動在工件上的水屏或者其它提供限制等離子體的介質(zhì)的方法。該介質(zhì)使得等離子體迅速達到?jīng)_擊波壓力，后者產(chǎn)生構(gòu)成LSP作用的彈性形變以及相關(guān)的殘留應(yīng)力圖案。
激光沖擊冷鍛在燃氣輪機領(lǐng)域產(chǎn)生了許多應(yīng)用，其中一部分公布在如下的美國專利中No．5756965“關(guān)于飛輪的激光沖擊冷鍛”、No．5591009“激光沖擊冷鍛燃氣輪機扇葉邊緣”、No．5569018“防止或避免裂紋的技術(shù)”、No．5531570“激光沖擊冷鍛燃氣輪機壓縮機葉片邊緣的變形控制”、No．5492447“激光沖擊冷鍛渦輪機轉(zhuǎn)子部件”、No．5674329“覆蓋粘附帶激光沖擊冷鍛”和No．5674328“覆蓋干帶激光沖擊冷鍛”，所有這些都轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。這些應(yīng)用以及其它應(yīng)用需要用于激光沖擊冷鍛生產(chǎn)運行的有效的質(zhì)量保證評定方法。
激光沖擊冷鍛處理已經(jīng)發(fā)展到同時LSP風扇和壓縮機翼面及葉片的前緣和后緣的受壓面和負壓面，如公布在美國專利No．5591009“激光沖擊冷鍛燃氣輪機扇葉邊緣”和美國專利No．5531570“激光沖擊冷鍛燃氣輪機壓縮機葉片邊緣的變形控制”。用于沖擊冷鍛質(zhì)量控制領(lǐng)域的單面沖擊冷鍛阿爾門片(Almen strips)是眾所周知的，見美國專利No．2620838?？墒?，阿爾門片沒有設(shè)計成提供單個激光光束沖擊作用的測量。LSP處理包含使用高脈沖能量和短脈沖寬度的激光系統(tǒng)。高能量和短時間的結(jié)合以及光束路徑穩(wěn)定性的變化(例如在水／空氣界面)限制了用來校驗供給被處理部件的實際(校準)能量的電子測量系統(tǒng)的使用。
一種已被使用的激光沖擊冷鍛質(zhì)量保證技術(shù)是葉片的高頻疲勞(HCF)測試，其中葉片的前緣在測試前已被LSP并且在LSP區(qū)域已被切口。該方法對測試件是損壞性的，它非常昂貴、耗費執(zhí)行時間、明顯降低生產(chǎn)速度和檢驗被LSP部件的處理速度。HCF測試是隨機抽樣技術(shù)并且是粗糙的統(tǒng)計質(zhì)量測量。非常需要一種改進的測量和控制LSP處理的質(zhì)量保證方法，該方法是非損壞性評定(NDE)、不昂貴、準確、快速。還需要NDE質(zhì)量保證方法，它相對便宜并且足夠經(jīng)濟以至直接用于實際工件而取代間接用于工件的損壞性抽樣。象任何生產(chǎn)技術(shù)一樣，LSP是一種包含機器并且耗時而又昂貴的處理。因此，任何能減小生產(chǎn)機器和／或生產(chǎn)時間數(shù)量或復(fù)雜性的技術(shù)都是十分需要的。
本發(fā)明對用于激光沖擊冷鍛處理的單個激光發(fā)射的瞬時持續(xù)期內(nèi)激光產(chǎn)生的等離子體所射的發(fā)光的瞬時光譜強度進行測量。最好，本發(fā)明使用可以從日本Hamamatsu獲得的條紋攝像機這樣的光學裝置通過分析與氣化材料有關(guān)的瞬時光譜來測量等離子體的瞬時光強度。
生產(chǎn)型激光沖擊冷鍛處理工件的方法包括對與生產(chǎn)型激光沖擊冷鍛處理期間各個激光沖擊冷鍛的發(fā)射激光產(chǎn)生的氣化材料有關(guān)的等離子體持續(xù)期期間的短時間內(nèi)的瞬時光譜光強度進行測量和記錄。然后分析記錄到的光譜瞬時數(shù)據(jù)以確定瞬時黑體等離子光譜，并且從該光譜確定等離子體相應(yīng)時間的溫度，然后被用來提供對生產(chǎn)型激光沖擊冷鍛的統(tǒng)計控制。
由瞬時光譜分析得到的生產(chǎn)型結(jié)果被用來確定生產(chǎn)型激光沖擊冷鍛處理是否可以接受。該方法的一個實施例用瞬時光譜分析的生產(chǎn)型結(jié)果比較瞬時光譜分析的測試結(jié)果和以測試工件高頻疲勞測試為基礎(chǔ)的高頻疲勞破壞的相關(guān)性，其中測試工件與生產(chǎn)件相同或有關(guān)，并且被相同或類似的激光沖擊冷鍛裝置進行激光沖擊冷鍛。在更具體的實施例中，每一個測試工件在其激光沖擊冷鍛區(qū)域內(nèi)有破壞沉淀裂紋，其中的測試件被相同或類似的激光沖擊冷鍛裝置進行激光沖擊冷鍛。
在一個實施例中，生產(chǎn)型工件是具有翼面的燃氣輪機葉片，而測試型工件是在翼面的激光中擊冷鍛斑紋中具有切口的燃氣輪機葉片，其中的切口是在翼面被激光沖擊冷鍛之后形成的。在翼面測試工件的多脈沖激光沖擊冷鍛斑紋形成期間，對每一個激光脈沖進行關(guān)于相關(guān)性的瞬時光譜分析。
本發(fā)明的一個實施例的相關(guān)性是等離子體輻射光譜與典型的黑體光譜形狀的統(tǒng)計擬合，其中的等離子體由激光發(fā)射形成，并且等離子體發(fā)射光譜是在該等離子體的形成及短暫壽命期間測到的。另一個實施例使用生產(chǎn)型結(jié)果分析與統(tǒng)計擬合數(shù)據(jù)的比較，以便確定生產(chǎn)型激光沖擊冷鍛處理是否可以接受，其中的生產(chǎn)型結(jié)果分析來源于在物體上形成LSP區(qū)域的各個LSP過程，而統(tǒng)計擬合數(shù)據(jù)把物體疲勞壽命的延長與生產(chǎn)型結(jié)果分析所得到的尺度相聯(lián)系。
本發(fā)明的優(yōu)點很多，它包括降低成本、時間、人力和激光沖擊冷鍛處理期間執(zhí)行質(zhì)量保證測試的復(fù)雜性。本發(fā)明的另一個優(yōu)點是提供加工中的質(zhì)量控制，它允許在對實際生產(chǎn)型部件進行激光沖擊冷鍛處理期間、以及在加工的現(xiàn)場并且在加工過程中實時地執(zhí)行質(zhì)量標準測試。本發(fā)明有助于極大地減少激光沖擊冷鍛期間執(zhí)行質(zhì)量保證測試的停工時間。本發(fā)明替代目前用于QA的乏味、昂貴、耗時的切口高頻疲勞測試處理?？梢耘c實際部件或工件相互配合來執(zhí)行QA，并且是高度可重復(fù)的，因而非?？煽康刈鳛榧す鉀_擊冷鍛的QA處理。
本發(fā)明還有幾個其它的制造優(yōu)點，包括測量部件上的激光能量，該能量不是指光束通過聚焦以及光束進入光學裝置并通過空氣／水界面(它改變激光束的聚焦和能量分布并且損失能量)之前的原始激光能量。本發(fā)明快速準確地測量每一個等離子體時期的定性效果。本發(fā)明的測量裝置可以置于加工位置附近并且被頻繁地應(yīng)用、同時獲得實時結(jié)果。本發(fā)明提供非?？煽亢蜏蚀_的QA處理，在很大程度上由于其可重復(fù)性和不依賴檢測器光學裝置捕獲的光量。
本發(fā)明的上述方面和其它特征在下面的結(jié)合附圖的描述中解釋，附圖中

圖1是對激光沖擊冷鍛(LSP)處理所產(chǎn)生的等離子體在發(fā)光時間的光譜強度進行測量的系統(tǒng)的典型實施例的圖解說明，圖2是用圖1中系統(tǒng)測量的在給定時間點的等離子體發(fā)射光譜的典型的圖形說明，圖3是圖2中的理想黑體輻射的典型的圖形說明，它是去除了圖2中離散發(fā)射線的發(fā)射光譜，圖4是用圖1中系統(tǒng)測量的在等離子體持續(xù)期內(nèi)幾個時間點的黑體輻射的典型的圖形說明，
圖5是在圖1的等離子體持續(xù)期內(nèi)黑體光譜峰值強度波長隨時間的變化以及等離子體溫度和等離子體壓力隨時間變化的兩條假設(shè)曲線的典型的圖形說明，圖6是在圖1的等離子體持續(xù)期內(nèi)積分光譜峰值強度波長隨時間變化的典型的圖形說明，及其與激光沖擊冷鍛作用大小的關(guān)系(圖中的比例為適合曲線被改變)，圖7是圖1中扇葉的透視圖，圖8是通過圖7中線8-8所取的扇葉截面圖，圖9是用于本發(fā)明的典型方法中的切口的扇葉的透視圖，圖10是圖1中葉片安裝在按照本發(fā)明典型實施例的激光沖擊冷鍛系統(tǒng)中的示意的透視圖，圖11是模擬圖1中葉片的測試試樣安裝在按照本發(fā)明另一實施例的激光沖擊冷鍛系統(tǒng)中的示意的透視圖，圖12是用測試數(shù)據(jù)構(gòu)成的許多積分光譜峰值強度波長曲線的典型的圖形說明，其中的一條曲線在圖6中示出，圖13是從圖12示出的許多積分光譜峰值強度波長曲線導(dǎo)出的相關(guān)曲線的典型的圖形說明。
本發(fā)明提供對生產(chǎn)型工件的激光沖擊冷鍛處理進行質(zhì)量控制的質(zhì)量保證方法，其中的生產(chǎn)型工件以圖1中具有激光沖擊冷鍛斑紋12的生產(chǎn)型扇葉108(圖7和圖8更完整地示出)為例。質(zhì)量保證一般為試驗或分析的過或者不過、合格或者不合格、接受或者拒絕類型。本發(fā)明的方法和技術(shù)包含對諸如典型的航空渦輪風扇發(fā)動機燃氣輪機扇葉或其它象在美國專利No．5492447、No．5674329、No．5674328和No．5591009中公開的金屬材料制成的工件進行激光沖擊冷鍛處理的質(zhì)量保證。該方法是可以在以下情況下執(zhí)行的測試最好是在每一個工件的激光沖擊冷鍛期間或著在每一個工件的激光沖擊冷鍛之后，或者在對一批工件進行激光沖擊冷鍛之前或之后。本方法最好測試每一次激光發(fā)射。
圖1中示出激光束102，它發(fā)射到激光沖擊冷鍛區(qū)域或斑紋12范圍內(nèi)的激光沖擊冷鍛面154上，其中的激光沖擊冷鍛區(qū)域或斑紋12上覆蓋有象涂料或粘附帶一樣的燒蝕涂層161，以便形成涂層面155，就象美國專利No．5674329和No．5674328中公開的那樣。該涂料或粘敷帶提供燒蝕介質(zhì)，在其上的最好是透明的約束介質(zhì)，它可以是諸如水流121那樣的透明流體屏。伴隨每一次發(fā)射，燒蝕涂層161被燒蝕而產(chǎn)生等離子體8，后者隨后對葉片或其它可以用來試驗激光沖擊冷鍛處理的物體的金屬材料表面產(chǎn)生沖擊波。作為涂料的合適的選擇，也可以用其它燒蝕材料來涂敷所述表面。這些涂層材料包括象美國專利No．5674329和No．5674328中公開的金屬箔或粘敷塑料帶。這些沖擊波被流水屏121重新定向到涂層面155從而在所述涂層面下、在被激光沖擊冷鍛的物體中產(chǎn)生沖擊波(強壓波)。這些沖擊波的幅值、形狀、和數(shù)量確定LSP處理引起的彈性形變的程度，以及由此產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力的深度和強度。燒蝕涂層用來保護目標面并且產(chǎn)生等離子體8。在一種典型的應(yīng)用中，引起深壓縮殘留應(yīng)力(在一個預(yù)壓縮應(yīng)力區(qū)156)的激光光束沖擊一般大約為50～150 KPSI(每平方英寸千磅)，它從激光沖擊冷鍛表面154延伸大約20～70密爾的深度范圍而進入預(yù)壓力區(qū)156。
圖1也給出用于對激光沖擊冷鍛處理期間單個激光束102發(fā)射時產(chǎn)生的等離子體8的瞬時光強度進行測量的系統(tǒng)10的典型實施例的圖解表示。從使用系統(tǒng)10獲得的光譜／瞬時光強度數(shù)據(jù)導(dǎo)出的結(jié)果被用來執(zhí)行激光沖擊冷鍛處理的質(zhì)量控制的質(zhì)量保證方法。在激光束102發(fā)射而產(chǎn)生的等離子體8的持續(xù)期期間的時間PT期，諸如甚快速行掃描分光儀的條紋攝像機6或其他裝置被用來對等離子體8在各個時間點輻射的光譜(圖2中所示)進行光譜／瞬時測量。
條紋攝像機6記錄對應(yīng)時間的光譜光強度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)饋送到計算機17進行數(shù)據(jù)分析，監(jiān)視器19顯示其結(jié)果。計算機用來分析能量譜的形狀，它表示在等離子體持續(xù)期期間非常短的期間內(nèi)(對于出現(xiàn)時間為5納秒的激光脈沖，大概象1納秒那樣短)該光譜的能量的相對分布。能量譜的一般形狀在圖2示出，其中發(fā)射光譜表示隨波長而變的光強度圖形。由等離子體發(fā)射的光譜圖像既包含線結(jié)構(gòu)又包含分布在整個光譜上的一般背景。分布在這兩種方式之間的能量的相對比例部分地依賴于檢測器的光譜分辯率。分辯率越差，結(jié)合到一般背景的線結(jié)構(gòu)越多。對于黑體輻射體而言，白熾源的光譜能量分布為圖3示出的形式。無論線結(jié)構(gòu)是否完全結(jié)合，能量分布都將包含象黑體輻射情況那樣的光譜高能量(較短波長)端的峰值。隨著溫度的提高，峰值會偏向光譜的更短波長端。在本發(fā)明一個實施例的實際情況中，所述部分結(jié)合的光譜數(shù)據(jù)與理想黑體光譜的擬合用于確定等離子體整個持續(xù)期的有效黑體溫度，它與瞬時壓力有關(guān)。在生產(chǎn)運行期間，最好以工件合格或不合格的高頻疲勞相關(guān)的形式，將測量的光譜數(shù)據(jù)與預(yù)定的光譜標準進行比較。
預(yù)定標準最好基于光譜測試數(shù)據(jù)對測試型工件的高頻疲勞數(shù)據(jù)的相關(guān)性，其中的測試型工件以圖9中所示的被激光沖擊冷鍛及被切口的葉片109為例。
參考圖7和圖8，生產(chǎn)型扇葉108包括翼面134和扇根部分140，其中翼面134從葉片扇臺136輻射延伸到葉片扇尖138，扇根部分140從扇臺136向里輻射延伸。扇根部分140有通過葉片脛144接到扇臺136的葉片根142。翼面134在翼面的前緣LE與后緣TE之間弦向延伸。圖8中示出的以葉片的每一個橫斷面的前緣LE與后緣TE之間的直線為翼面134的弦CH。翼面134的受壓面146背離箭頭V的一般旋轉(zhuǎn)方向，而負壓面148在扇面的另一面，而中線ML一般位于弦向的兩個面之間的中間位置。
生產(chǎn)型扇葉108有前緣部分150，它沿著翼面134的前緣LE由葉片扇臺136延伸到葉片扇尖138。前緣部分150包括預(yù)定的第一寬度W，因而前緣部分150包含發(fā)動機工作期間沿翼面134的前緣可能出現(xiàn)裂口和裂縫的區(qū)域。由于在發(fā)動機工作期間扇葉108旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心力，所以，翼面134承受顯著的張力應(yīng)力。翼面134還承受發(fā)動機工作期間產(chǎn)生的振動，并且裂口和裂縫作為高頻疲勞應(yīng)力溢出口(riser)在它們周圍產(chǎn)生附加的應(yīng)力集中。
為了抵消葉片沿可能的裂紋線(從裂口和裂縫發(fā)展和發(fā)散)部分的疲勞損壞，激光沖擊冷鍛斑紋12沿前緣LE部分布置，由于高頻疲勞，這些位置最初的裂口和裂縫可能引起葉片的損壞。激光沖擊冷鍛斑紋12沿前緣LE部分布置，典型的預(yù)定第一方式損壞線LM可能從這些位置開始。在激光沖擊冷鍛斑紋12范圍內(nèi)，至少一個并且最好受壓面146和負壓面148兩者同時被激光沖擊冷鍛，以便分別形成相對布置的第一和第二激光沖擊冷鍛葉片面154a和154b以及預(yù)應(yīng)力葉片區(qū)156a和156b，由圖8可見，它們具有從激光沖擊冷鍛面延伸進入到翼面134的激光沖擊冷鍛(LSP)產(chǎn)生的深壓縮殘留應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力葉片區(qū)156a和156b圖示為僅沿著前緣部分150的一部分，但如果需要的話，可以沿整個前緣LE或者其更長的部分延伸。
本發(fā)明質(zhì)量保證的方法在生產(chǎn)型葉片108的激光沖擊冷鍛期間進行或者最好對形成激光沖擊冷鍛斑紋12的每一次激光發(fā)射進行。另外，在后續(xù)對一批生產(chǎn)型葉片108進行激光沖擊冷鍛處理之前，QA測試也可以對犧牲葉片或試樣進行，以便提供用于激光沖擊冷鍛處理控制的數(shù)據(jù)。最好，在具有相同的激光沖擊冷鍛處理設(shè)備處理參數(shù)光束特征和用于生產(chǎn)型扇葉108的材料情況下，對激光束102每一次發(fā)射形成的每一個等離子體8進行瞬時光譜測量。這容許操作員在生產(chǎn)線使用該方法檢查某些或所有生產(chǎn)工件，以便在對整個生產(chǎn)工件影響最小的情況下實行實時質(zhì)量保證。
為了提供對激光沖擊冷鍛處理效果的改進，研究了每一次激光發(fā)射的光譜／瞬時特性與激光沖擊斑紋內(nèi)這些發(fā)射的空間位置之間的相關(guān)性以及被該方法處理的葉片的疲勞壽命。用于激光沖擊冷鍛的試驗激光沖擊冷鍛面154被用來建立相關(guān)性。試驗激光沖擊冷鍛面154最好是與生產(chǎn)型工件同類型的物體，在該實施例中它是試驗葉片109。還能使用與生產(chǎn)型工件相同的材料并且以相同方式制備或涂敷的測試試樣110，如圖11所示，在相關(guān)性激光沖擊冷鍛期間和在生產(chǎn)型激光沖擊處理期間，最好用相同的方式來進行這些測量。
激光沖擊冷鍛等離子體的發(fā)射光譜的一般形式在圖2中以其光強度相對于光波長的形式示出。在等離子體8的持續(xù)期期間利用條紋攝像機6可以捕獲具體的光譜細節(jié)。光能量被示為分配在離散線結(jié)構(gòu)形式散發(fā)的光能量和象更連續(xù)的黑體輻射體似分布的散發(fā)光能量之間。在這兩種形式之間的能量相對分布會隨著等離子體中的溫度、壓力和時間而改變。能量的相對分布似乎也將隨著檢測器的光譜分辯率而出現(xiàn)變化。分辯率越差，結(jié)合到一般類似黑體的分布中的線結(jié)構(gòu)越多。本發(fā)明最佳實施例使用對應(yīng)時間的等離子體的瞬時光譜數(shù)據(jù)與有關(guān)溫度的黑體輻射能量分布的擬合來確定等離子體的瞬時溫度。然而，以在特定處理參數(shù)下和使用特定的犧牲處理材料所產(chǎn)生光譜為基礎(chǔ)的類似黑體的能量分布也能用來確定瞬時溫度。離散發(fā)射線24的相對強度也能用來確定等離子體溫度。應(yīng)當指出，該專利黑體輻射分布的目的意指包括在此討論的各種形式的黑體輻射分布，包括類似黑體的能量分布、實際測量的黑體輻射分布和理想黑體能量分布。
最好，通過有選擇地遮蔽光譜圖像平面來阻止離散發(fā)射線24，以便將被分析的光譜限制到黑體相關(guān)的成分，如圖3顯示的黑體輻射曲線20。借助于在光譜圖像平面附近的部分傳輸物理濾波器，可以濾除離散發(fā)射線24；或者使用圖1中的計算機17，借助計算機算法來以計算方式濾除離散發(fā)射線24。反過來也成立，或者通過遮蔽不需要的光譜部分(如上所述)、或者通過窄帶帶通濾波，所需各個發(fā)射線可以有選擇地通過。
對于峰值溫度的確定，不必獲取整個類似黑體的光譜來確定理想黑體能量分布的擬合。在某些特別選擇的光譜位置(波長)的幾次光強度測量可能足以用于峰值溫度的確定，因此足以用于壓力的確定。
圖4示出一系列假設(shè)的類似黑體的輻射曲線20，它們代表在等離子體8持續(xù)期的PT期間分別在一系列從第一到第十一的時間點T1到T11由等離子體發(fā)射的瞬時光譜。應(yīng)當指出，這些曲線表示被處理的光譜數(shù)據(jù)或該數(shù)據(jù)與類似黑體的函數(shù)的擬合，并且對于每一個時間點的每一條曲線都有相應(yīng)的一個第一到第十一中的發(fā)射光譜峰值強度點PI1到PI11。
圖5示出等離子體的類似黑體的光譜峰值強度波長L和等離子體溫度及等離子體壓力怎樣隨等離子體8持續(xù)期時間間隔PT內(nèi)的時間而變化。這些參數(shù)的瞬時光譜函數(shù)或曲線或分布從條紋攝像機6測得的發(fā)射光譜導(dǎo)出。本發(fā)明的一個實施例使用這些參數(shù)曲線或分布中的一個作為相關(guān)函數(shù)，用于生產(chǎn)期間的質(zhì)量保證測試。難以通過條紋攝像機6測得的發(fā)射光譜來導(dǎo)出溫度和壓力，可是，由光譜數(shù)據(jù)對黑體或類似黑體的函數(shù)的擬合確定的黑體或類似黑體的光譜峰值強度波長L不再需要復(fù)雜的計算。相對于時間的等離子體壓力的確定是用于建立與疲勞壽命的相關(guān)性的合乎需要的關(guān)系，但是用于導(dǎo)出壓力精確測量的所需各種計算和經(jīng)驗學習可能是不值得花費的。
最佳相關(guān)性函數(shù)或曲線是用于三個參數(shù)函數(shù)或曲線(圖5中等離子體8的持續(xù)期的短時間間隔PT內(nèi)的光譜峰值強度波長L、等離子體溫度T、或等離子體壓力P)之一的參數(shù)時間積分函數(shù)或曲線。通過對等離子體8持續(xù)期時間間隔PT內(nèi)的參數(shù)函數(shù)或曲線求積分而導(dǎo)出時間積分函數(shù)或曲線，從三個參數(shù)曲線中的任何一個來導(dǎo)出相關(guān)函數(shù)或曲線。
圖6示出的是積分光譜峰值強度波長曲線A1，它表示本發(fā)明相關(guān)性的一個實施例的分析步驟。相關(guān)性測試最好以諸如由高頻疲勞(HCF)測試提供的疲勞損壞的周期數(shù)為基礎(chǔ)。在此的一個典型實施例中，在各個點進行等離子體8的光譜的瞬時測量(圖2示出)期間，例如在等離子體持續(xù)期期間的5～20測量，對切口的測試葉片109進行激光沖擊冷鍛，每一個激光束102的發(fā)射為幾納秒。然后對于每一次發(fā)射或激光束發(fā)射來計算象圖6示出的那樣的積分光譜峰值強度波長曲線A1。這產(chǎn)生了許多圖12中示出的積分光譜峰值強度波長曲線B，它然后被直接作為或者用來導(dǎo)出用于激光沖擊冷鍛生產(chǎn)運行期間的相關(guān)曲線或函數(shù)，就象圖13示出的那樣。在生產(chǎn)型工件的激光沖擊冷鍛生產(chǎn)運行期間，相同的光譜測量和分析被用來產(chǎn)生生產(chǎn)積分光譜峰值強度波長曲線，后者然后與許多積分光譜峰值強度波長曲線B或由許多B曲線導(dǎo)出的相關(guān)性進行比較，用于利用過或者不過判斷標準的質(zhì)量保證。
最好按照與實際生產(chǎn)型扇葉108同樣的方式制造測試件或測試葉片109，測試葉片109被激光沖擊冷鍛形成斑紋12后其上添加有切口152。在產(chǎn)生許多積分光譜峰值波長曲線B或者記錄和存儲條紋攝像機的原始光譜數(shù)據(jù)后，將測試葉片109振動在其第一方式頻率直到它被損壞。為了建立相關(guān)性，大量測試葉片109或僅一片測試葉片109被切口(notched)并且承受高頻疲勞測試。切口152表示沉淀裂紋損壞并且位于預(yù)應(yīng)力葉片區(qū)156a和156b的預(yù)定位置附近的前緣LE，其中的預(yù)應(yīng)力葉片區(qū)156a和156b分別在葉片被激光沖擊冷鍛后形成。最好，切口152最好以諸如第一方式線LM的預(yù)定方式線為中心。如果時間的長短和正在離開葉片的施力作用大小滿足標準或測試判斷標準，那么它是可以接受的，并且其各自的許多積分光譜峰值強度波長曲線B被用于生產(chǎn)運行期間的質(zhì)量保證測試時的相關(guān)性曲線。可以設(shè)想，只要生產(chǎn)激光沖擊冷鍛參數(shù)不改變，一次校準可以用于整個生產(chǎn)期間。另一個實施例提供以低頻疲勞(LCF)產(chǎn)生的疲勞損壞周期數(shù)為基礎(chǔ)的相關(guān)性測試。
激光沖擊冷鍛生產(chǎn)運行期間的光譜分析與前面有關(guān)相關(guān)性運行所描述的相同，但沒有那么多的時間和波長點需要分析?？梢允褂糜嬎銠C分析幾個點并且將其相關(guān)性顯示在屏幕19上，以便把生產(chǎn)速度的降低最小化。
圖12示出用于生產(chǎn)型工件合格或不合格測試的一種相關(guān)性，它具有合格范圍或者上限與下限之間的范圍。諸如改變激光光束注量(fluence)的激光沖擊冷鍛處理的變化可以分別用來建立上和下積分光譜峰值強度波長界限AU和AL、積分光譜峰值強度波長均值A(chǔ)M以及從圖12示出的許多積分光譜峰值強度波長曲線B出發(fā)研究相關(guān)性。它然后被用作為激光沖擊冷鍛生產(chǎn)運行期間使用的諸如圖13示出的導(dǎo)出相關(guān)性或函數(shù)。另外，可以分析并使用與理想校正曲線的統(tǒng)計偏差來確定生產(chǎn)型工件的合格或不合格。在生產(chǎn)運行期間，從等離子體光譜攝像機6測得的光強度導(dǎo)出的積分光譜峰值強度波長曲線的實際數(shù)據(jù)最好顯示在屏幕19，用于每一個葉片的實時QA測試。
圖10和圖11示出的是用于激光沖擊冷鍛生產(chǎn)型扇葉108的激光沖擊冷鍛系統(tǒng)101。生產(chǎn)型扇葉108安裝在夾具88上，其中夾具88連接到五軸計算機數(shù)控(CNC)操縱器127，商業(yè)上該操縱器可以從Huffman公司獲得(地址1050 Huffman Way，Clover，SC 29710)。典型實施例中示出的五軸運動是CNC機械加工中眾所周知的常規(guī)平移軸X、Y和Z以及常規(guī)的旋轉(zhuǎn)軸A和C。操縱器127最好用來移動和定位生產(chǎn)型扇葉108，并且實現(xiàn)按照激光沖擊冷鍛方法的及本發(fā)明的激光沖擊冷鍛“高速旋轉(zhuǎn)”。操縱器127被用來連續(xù)移動和定位葉片，以提供按照本發(fā)明的一個實施例的激光沖擊冷鍛“高速旋轉(zhuǎn)”?？梢酝ㄟ^大量的不同方式，使用涂料或帶子作為燒蝕介質(zhì)(具體見美國專利No．5674329“粘敷帶覆蓋激光沖擊冷鍛”)來進行激光沖擊冷鍛。相同的激光沖擊冷鍛裝置被用于對生產(chǎn)型葉片108和測試型葉片109前緣LE的斑紋12進行激光沖擊冷鍛處理。
當穿過流水屏121對涂層面155遞增地發(fā)射穩(wěn)定的高功率激光束102并且形成重疊的激光沖擊冷鍛圓斑158時，生產(chǎn)型扇葉108可以或者連續(xù)移動或者逐步移動?？紤]到相關(guān)性，在生產(chǎn)運行和HCF測試運行期間生產(chǎn)型扇葉108最好以相同的方式被激光沖擊冷鍛。圖中示出水屏121由常規(guī)供水管119端頭的常規(guī)噴水嘴123提供。激光沖擊冷鍛系統(tǒng)101有常規(guī)發(fā)生器131，后者具有振蕩器133、前置放大器139A、光束分離器143以及光學裝置135，光束分離器143饋送前置放大后的激光束進入兩束光傳輸電路(它們各自分別有第一和第二放大器139和141)，光學裝置135包括將激光光束發(fā)射和聚焦到涂層表面155的光學器件?？刂破?24可用來調(diào)制和控制激光沖擊冷鍛系統(tǒng)101，以便按照所控制的方式發(fā)射激光光束102到涂層表面155。被燒蝕的涂層材料由流水屏121沖洗掉。
圖11示出即在生產(chǎn)運行又在校準執(zhí)行期間使用實際或代表性工件的替代方案。在生產(chǎn)葉片或工件的生產(chǎn)運行期間的各個時間，在一個或多個測試試樣110上形成斑紋12。相同類型的試樣將用來產(chǎn)生校準曲線，例如在為了建立圖12和圖13示出的相關(guān)曲線和函數(shù)而對被激光沖擊冷鍛和切口的葉片進行HCF不合格測試之后的運行開始時刻。
重要的是應(yīng)當指出，當操縱器127旋轉(zhuǎn)和移動扇葉108時，攝像機6可以恰象激光光束102保持固定一樣而保持固定。這一特征對于本發(fā)明的易于使用是非常重要的，并且部分地歸因于使用相關(guān)光譜光強度數(shù)據(jù)，特別是峰值強度波長的方法。
由于為了解釋原理起見，本發(fā)明的最佳實施例已被充分描述。顯然，在不離開后附的權(quán)利要求書中提出的本發(fā)明范圍的情況下可以對最佳實施例作出各種修改和變化。
13DV-12804部件清單6．streak camera條紋攝像機8．plasma等離子體10．system系統(tǒng)12．patch斑紋17．computer計算機19．monitor監(jiān)視器20．black body radiation curve黑體輻射曲線24．emission lines發(fā)射線88．fixture夾具101．laser shock peening system激光沖擊冷鍛系統(tǒng)102．laser beam激光光束108．production fan blade生產(chǎn)型扇葉109．notched test blades切口測試葉片110．test coupon測試試樣119．supplytube供水管121．curtain of flowing water流水屏123．water nozzle噴水嘴124．controller控制器127．manipulator操縱器131．generator發(fā)生器133．oscillator振蕩器134．a(chǎn)irfoil扇面135．optics光學裝置136．blade platform葉臺138．blade tip葉尖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光束分離器144．blade shank葉脛146．pressure side受壓面
148．suction side負壓面150．leading edge前緣152．notch切口154．laser shock peened surface激光沖擊冷鍛面154a．first laser shock peened blade surface第一激光沖擊冷鍛葉面154b．second laser shock peened blade surface第二激光沖擊冷鍛葉面155．coated surface涂層面156．pre-stressed region預(yù)應(yīng)力面156a．first pre-stressed blade region第一預(yù)應(yīng)力葉片區(qū)156b．second pre-stressed blade region第二預(yù)應(yīng)力葉片區(qū)158．circular spots圓斑161．a(chǎn)blative coating燒蝕涂層A1-wavelength curve波長曲線B-wavelength curve波長曲線A-rotational axes旋轉(zhuǎn)軸C-rotational axes旋轉(zhuǎn)軸AU-upper integrated spectral peak wavelength limits積分光譜峰值波長上限AL-lower integrated spectral peak wavelength limits積分光譜峰值波長下限AM-integrated spectral peak wavelength mean積分光譜峰值波長均值CH-chord弦L-peak intensity wavelength峰值強度波長LM-first mode line第一方式線ML-mean-line均值線
P-plasma pressure等離子體壓力PT-period of time時間間隔T-plasma temperature等離子體溫度V-arrow箭頭W-width寬度T1-T11 first through eleventh points in time第一到第十一時間點PI1-PI11 first through eleventh peak intensity points第一到十一峰值強度點X-translational axes平移軸Y-translational axes平移軸Z-translational axes平移軸LE-leading edge前緣TE-trailing edge后緣
權(quán)利要求
1．生產(chǎn)型工件的激光沖擊冷鍛處理的質(zhì)量控制測試方法，該方法包括如下步驟(a)從激光沖擊冷鍛裝置向與所述工件有關(guān)的金屬表面發(fā)射至少一個激光光束脈沖并形成具有持續(xù)期的等離子體，所述等離子體在該持續(xù)期內(nèi)在所述表面下形成一個區(qū)域，所述區(qū)域具有所述激光沖擊冷鍛處理產(chǎn)生的深壓縮殘留應(yīng)力，(b)在所述等離子體持續(xù)期的時間間隔內(nèi)，在相應(yīng)的多個時間點測量多個由等離子體輻射的發(fā)射光譜，(c)將光譜內(nèi)的能量相對分布與合格或不合格判斷標準進行比較，以便接受或拒絕所述工件。
2．權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述金屬表面在生產(chǎn)型工件上并且相關(guān)性基于測試件的高頻疲勞測試，所述測試件基本上與所述生產(chǎn)件相同并且用相同或相似的激光沖擊冷鍛裝置進行激光沖擊冷鍛。
3．權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述合格或不合格判斷標準是發(fā)射光譜內(nèi)能量的相似的相對分布對高疲勞損壞數(shù)據(jù)的相關(guān)性。
4．權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述光譜內(nèi)能量的相對分布是關(guān)于所述時間間隔內(nèi)的時間的黑體輻射強度波長分布，所述峰值強度波長分布是通過確定每一個所述發(fā)射光譜的峰值強度波長來獲得的，以及所述比較光譜內(nèi)能量的相對分布包含將峰值強度波長分布的黑體輻射峰值強度波長數(shù)據(jù)與用于接受或拒絕工件的合格或不合格判斷標準進行比較。
5．權(quán)利要求4的方法，其特征在于所述合格與不合格判斷標準是峰值強度波長測試數(shù)據(jù)對接受或拒絕工件的高頻疲勞損壞測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性。
6．權(quán)利要求4的方法，其特征在于所述合格或不合格判斷標準是峰值強度波長測試數(shù)據(jù)對接受或拒絕工件的低頻疲勞損壞測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性。
7．權(quán)利要求4的方法，其特征在于所述合格與不合格判斷標準是在所述等離子體持續(xù)期時間間隔內(nèi)積分的峰值強度波長測試數(shù)據(jù)對接受或拒絕工件的高頻疲勞損壞測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性。
8．權(quán)利要求7的方法，其特征在于所述測試件每一個在其激光沖擊冷鍛區(qū)域內(nèi)都有沉淀裂紋損壞，所述測試件被用相同或者相似的激光沖擊冷鍛裝置進行激光沖擊冷鍛。
9．權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述金屬表面處在由相同或相似于所述生產(chǎn)型工件的材料制成的金屬試件上。
10．用于生產(chǎn)型工件的激光沖擊冷鍛處理的質(zhì)量控制測試方法，所述方法包括如下步驟(a)通過從激光沖擊冷鍛裝置對所述生產(chǎn)型工件表面發(fā)射多個激光光束脈沖來激光沖擊冷鍛所述生產(chǎn)件表面并形成多個等離子體，對應(yīng)每一個所述脈沖的每一個所述等離子體都有持續(xù)期，所述等離子體在所持續(xù)期內(nèi)在所述表面下形成一個區(qū)域，所述區(qū)域具有所述激光沖擊冷鍛處理產(chǎn)生的深壓縮殘留應(yīng)力，(b)在所述等離子體持續(xù)期時間間隔內(nèi)相應(yīng)的多個時間，測量由所述等離子體的至少一部分的每一個等離子體輻射的多個發(fā)射光譜，(c)將每一個所述等離子體光譜內(nèi)的能量的相對分布與用于接受或拒絕所述工件的合格或不合格判斷標準進行比較。
11．權(quán)利要求10的方法，其特征在于所述合格或不合格的判斷標準是所述發(fā)射光譜內(nèi)的相似的相對能量分布對高疲勞損壞數(shù)據(jù)的相關(guān)性。
12．權(quán)利要求10的方法，其特征在于所述光譜內(nèi)能量的相對分布是關(guān)于所述時間間隔內(nèi)的時間的黑體輻射峰值強度波長分布，通過確定每一個所述發(fā)射光譜的峰值強度波長來獲得所述峰值強度波長分布，以及所述比較光譜內(nèi)的能量相對分布包含將峰值強度波長分布的黑體輻射峰值強度波長數(shù)據(jù)與用于接受或拒絕工件的合格或不合格判斷標準進行比較。
13．權(quán)利要求12的方法，其特征在于所述合格與不合格判斷標準是峰值強度波長測試數(shù)據(jù)對用于接受或拒絕工件的高疲勞損壞測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性。
14．權(quán)利要求12的方法，其特征在于所述合格與不合格判斷標準是在所述等離子體持續(xù)期時間間隔內(nèi)積分的峰值強度波長測試數(shù)據(jù)對用于接受或拒絕工件的高疲勞損壞測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性。
15．權(quán)利要求14的方法，其特征在于所述測試件每一個在其激光沖擊冷鍛區(qū)域內(nèi)都有損壞沉淀裂紋，所述測試件被用相同或者相似的激光沖擊冷鍛裝置進行激光沖擊冷鍛。
16．燃氣輪機生產(chǎn)型葉片的激光沖擊冷鍛處理的質(zhì)量控制測試方法，所述方法包括如下步驟(a)從激光沖擊冷鍛裝置對每一個生產(chǎn)型葉片有關(guān)的金屬表面發(fā)射至少一個激光光束脈沖并形成具有持續(xù)期的等離子體，所述等離子體在所述持續(xù)期內(nèi)在所述表面下形成一個區(qū)域，所述區(qū)域具有所述激光沖擊冷鍛處理產(chǎn)生的深壓縮殘留應(yīng)力，(b)在所述等離子體持續(xù)期時間間隔內(nèi)相應(yīng)的多個時間，測量由所述等離子體輻射的多個發(fā)射光譜，(c)將光譜內(nèi)的能量相對分布與用于接受或拒絕所述葉片的合格或不合格判斷標準進行比較。
17．權(quán)利要求16的方法，其特征在于所述金屬表面處在每一個生產(chǎn)型葉片上，并且相關(guān)性以測試型葉片的高頻疲勞測試為基礎(chǔ)，所述測試型葉片基本上與所述生產(chǎn)型葉片相同并且用相同或相似的激光沖擊冷鍛裝置進行激光沖擊冷鍛。
18．權(quán)利要求16的方法，其特征在于所述合格或不合格的判斷標準是所述發(fā)射光譜內(nèi)相似的相對能量分布對所述測試型葉片高疲勞損壞數(shù)據(jù)的相關(guān)性。
19．權(quán)利要求16的方法，其特征在于所述光譜內(nèi)的相對能量分布是關(guān)于所述時間間隔內(nèi)的時間的黑體輻射峰值強度波長分布，通過確定每一個發(fā)射光譜的峰值強度波長來獲得所述峰值強度波長分布，以及所述比較光譜內(nèi)能量的相對分布包含將峰值強度波長分布的黑體輻射峰值強度波長數(shù)據(jù)與用于接受或拒絕生產(chǎn)型葉片的合格或不合格判斷標準進行比較。
20．權(quán)利要求19的方法，其特征在于所述合格與不合格判斷標準是峰值強度波長測試數(shù)據(jù)對用于接受或拒絕生產(chǎn)型葉片的測試型葉片的高頻疲勞損壞測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性。
21．權(quán)利要求19的方法，其特征在于所述合格或不合格判斷標準是峰值強度波長測試數(shù)據(jù)對用于接受或拒絕生產(chǎn)型葉片的測試型葉片的低頻疲勞損壞測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性。
22．權(quán)利要求19的方法，其特征在于所述合格與不合格判斷標準是所述等離子體持續(xù)期的時間間隔內(nèi)對峰值強度波長測試數(shù)據(jù)的積分對用于接受或拒絕生產(chǎn)型葉片的測試型葉片的高頻疲勞損壞測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性。
23．權(quán)利要求22的方法，其特征在于所述生產(chǎn)型葉片和測試型葉片的所述金屬表面是沿著所述葉片的前緣的至少一部分，所述測試型葉片每一個都有在其激光沖擊冷鍛區(qū)域內(nèi)的損壞沉淀裂紋，所述測試葉片用相同或相似的激光沖擊冷鍛裝置進行激光沖擊冷鍛。
24．權(quán)利要求23要求的方法，其特征在于所述的損壞沉淀裂紋是位于所述測試型葉片前緣的所述部分中的切口。
全文摘要
工件激光沖擊冷鍛處理的質(zhì)量保證方法包括測量和記錄等離子體持續(xù)期短時間內(nèi)的瞬時光強度數(shù)據(jù);其中等離子體與來自生產(chǎn)型激光沖擊冷鍛處理期間發(fā)射的激光散粒的氣化材料有關(guān)。然后記錄的瞬時數(shù)據(jù)被分析以得到等離子體瞬時光譜,并用來提供生產(chǎn)型激光沖擊冷鍛處理的統(tǒng)計控制。本發(fā)明的一個相關(guān)函數(shù)基于每一次激光發(fā)射的時間積分的光譜峰值強度波長曲線并為此在多次或所有發(fā)射的每一個等離子體持續(xù)期內(nèi)的多個時間點確定峰值強度波長。
文檔編號B23K26/00GK1293362SQ0012255
公開日2001年5月2日 申請日期2000年8月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月3日
發(fā)明者R·L·特蘭托, U·W·蘇 申請人:通用電氣公司