本發(fā)明涉及表面工程技術(shù)與激光加工
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種渦輪葉片主導(dǎo)邊雙面同步激光沖擊強(qiáng)化的方法。
背景技術(shù)：
：激光沖擊強(qiáng)化(lasershockpeening/processing,LSP)是一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)，主要是采用短脈沖(幾十納秒)、高峰值功率密度(>109W/cm2)的激光輻照在金屬表面，激光束通過約束層之后被吸收層吸收，吸收層從而獲得能量形成爆炸性氣化蒸發(fā)，產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，由于外層約束層的約束，等離子體形成高壓沖擊波從而向材料內(nèi)部傳播，利用沖擊波的力效應(yīng)在材料表層發(fā)生塑性變形，使得表層材料微觀組織發(fā)生變化，同時在沖擊區(qū)域產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，提高材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐應(yīng)力腐蝕性能，主要用于提高航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件關(guān)鍵部位的疲勞強(qiáng)度。渦輪葉片是發(fā)動機(jī)重要的零部件之一，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、品種多、數(shù)量大、對發(fā)動機(jī)性能影響大、設(shè)計制造周期長等特點，渦輪葉片一般承受較大的工作應(yīng)力和較高的工作溫度，且應(yīng)力和溫度的變化比較頻繁和劇烈，此外還有腐蝕和磨損的問題，對其工作條件的要求非?？量獭Ｒ虼?，需要提高渦輪葉片表面性能，增加飛機(jī)渦輪葉片的服役壽命。通常國際上在渦輪葉片正反面采用雙面同時激光沖擊強(qiáng)化，即在渦輪葉片某一點的正反面采用相同激光沖擊工藝參數(shù)(包括脈寬、脈沖能量、光斑直徑)，但是這種方法會在葉片中間位置產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，同時也會帶來整個葉片主導(dǎo)邊不均勻強(qiáng)化效果。葉片單面受沖也是葉片強(qiáng)化的一種方式，由于脈沖激光屬于高斯分布，當(dāng)光斑中心區(qū)域達(dá)到強(qiáng)化作用時，光斑邊緣區(qū)域無法達(dá)到，而當(dāng)光斑邊緣區(qū)域達(dá)到強(qiáng)化作用時，光斑中心區(qū)域會能量過高，容易造成葉片的宏觀變形與破壞，無法實現(xiàn)最佳的強(qiáng)化效果。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種用于渦輪葉片主導(dǎo)邊雙面同步激光沖擊強(qiáng)化的方法，即在葉片主導(dǎo)邊8～10mm的范圍內(nèi)的每一個點正面和背面采用相同直徑、不同脈沖能量的兩束激光同步進(jìn)行沖擊，且正面激光脈沖能量大于背面激光脈沖能量，其中正面采用的激光功率密度，用來使整個激光沖擊光斑區(qū)域產(chǎn)生動態(tài)塑性變形，背面采用的激光功率密度，用來抵消正面沖擊光斑中心區(qū)域過大的沖擊波壓力，避免在正面沖擊光斑中心區(qū)域葉片產(chǎn)生宏觀變形。其具體實步驟如下：夾具固定渦輪葉片，以流水作為約束層，根據(jù)材料的動態(tài)屈服強(qiáng)度計算出材料的Hugoniot彈性極限式中v為材料的泊松比，其中通過定位裝置，使葉片正面的每一個沖擊點的激光光斑和對應(yīng)的葉片反面的每一個沖擊點的激光光斑處于一條垂直于葉片表面的直線上，通過激光控制系統(tǒng)，使正反面的兩束激光能夠同步進(jìn)行沖擊。在渦輪葉片主導(dǎo)邊正面采用激光功率密度I1進(jìn)行搭接激光沖擊強(qiáng)化，其中式中E1為正面沖擊的激光脈沖能量，τ為激光脈寬，d為光斑直徑，根據(jù)圓形光斑高斯分布規(guī)律以及峰值壓力計算公式，得到正面峰值壓力式中α為等離子體–材料相互作用系數(shù)，Z為折合聲阻抗，I1為激光功率密度，正面光斑邊緣壓力式中P1(t)為正面峰值壓力，R為光斑直徑。又根據(jù)式中KF為系數(shù)，一般取1.1，t1為材料的厚度，d為光斑直徑，為材料的動態(tài)屈服強(qiáng)度，可以得到材料的厚度t0需滿足0＜t0≤t1。而在渦輪葉片主導(dǎo)邊背面采用的激光功率密度I2用來抵消正面沖擊光斑中心區(qū)域過大的沖擊波壓力，其中式中E2為背面沖擊的激光脈沖能量，τ為激光脈寬，d為光斑直徑，根據(jù)圓形光斑高斯分布規(guī)律以及峰值壓力計算公式，得到背面峰值壓力式中α為等離子體–材料相互作用系數(shù)，Z為折合聲阻抗，I2為激光功率密度，背面光斑邊緣壓力式中P2(t)為背面峰值壓力，R為光斑直徑。其中E1為正面沖擊的激光脈沖能量，E2為背面沖擊的激光脈沖能量，P1為正面峰值壓力，為使整個激光沖擊光斑區(qū)域產(chǎn)生動態(tài)塑性變形，而光斑中心區(qū)域葉片不產(chǎn)生宏觀變形，滿足P1＞2.5σH，2σH≤P1-P3≤2.5σH，P2-P4≥σH。所述渦輪葉片材料為鋁合金、不銹鋼、鈦合金或鎳基合金。激光沖擊路徑為往復(fù)直線型或弓字形；激光光斑為圓形，激光沖擊強(qiáng)化參數(shù)如下：光斑直徑為3mm，脈寬為8-30ns，脈沖能量2-15J，橫向和縱向搭接率均為50％。激光光強(qiáng)服從高斯分布，壓力脈沖的時空分布情況用如下準(zhǔn)高斯公式表示：式中x，y是表面坐標(biāo)，R是光斑直徑。本發(fā)明有益效果：在渦輪葉片主導(dǎo)邊正面采用較大激光功率密度進(jìn)行搭接激光沖擊強(qiáng)化，而又避免光斑中心區(qū)域葉片產(chǎn)生宏觀變形和破壞，最終達(dá)到最佳的強(qiáng)化效果。附圖說明為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。圖1為渦輪葉片整體沖擊示意圖。圖2為渦輪葉片主導(dǎo)邊沖擊示意圖。圖3為雙面沖擊作用原理圖。圖4為試樣中心位置沖擊波的分布圖。表1為不同狀態(tài)下渦輪葉片振動疲勞試驗結(jié)果對比。其中1、2、5是激光束，3是葉片，4是噴水管。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的具體實施方式做詳細(xì)的說明，但本發(fā)明不應(yīng)僅限于實施例。本發(fā)明所采用的是TC4鈦合金渦輪葉片，該材料的主要力學(xué)性能是密度為4.5g·cm-3，動態(tài)屈服強(qiáng)度為1.43GPa，泊松比為0.3，水阻抗為1.14×106g·cm-2·s-1，聲阻抗為2.75×106g·cm-2·s-1。實施例1：渦輪葉片主導(dǎo)邊單面采用激光脈寬τ＝10ns，激光脈沖能量E＝12J，光斑直徑d＝3mm的脈沖激光進(jìn)行沖擊，并對沖擊后的葉片進(jìn)行振動疲勞試驗。實施例2：渦輪葉片主導(dǎo)邊正反面的每一個點正面和背面采用相同直徑、相同脈沖能量的兩束激光同步進(jìn)行沖擊，其中激光脈寬τ＝10ns，激光脈沖能量E＝12J，光斑直徑d＝3mm，并對沖擊后的葉片進(jìn)行振動疲勞試驗。實施例3：本發(fā)明的技術(shù)方案，渦輪葉片主導(dǎo)邊正反面的每一個點正面和背面采用相同直徑、不同脈沖能量的兩束激光同步進(jìn)行沖擊。圖1、圖2分別是渦輪葉片整體沖擊示意圖和渦輪葉片主導(dǎo)邊沖擊示意圖。通過定位裝置，使葉片正面的每一個沖擊點的激光光斑和對應(yīng)的葉片反面的每一個沖擊點的激光光斑處于一條垂直于葉片表面的直線上。通過激光控制系統(tǒng)，使正反面的兩束激光能夠同步進(jìn)行沖擊。渦輪葉片主導(dǎo)邊正面采用激光脈寬為τ＝10ns，激光脈沖能量E1＝12J，光斑直徑d＝3mm；渦輪葉片主導(dǎo)邊背面采用激光脈寬為τ＝10ns，激光脈沖能量為E2＝12J，光斑直徑d＝3mm。其中即可得t1＝8.8mm，即0＜t0≤8.8mm圖3、圖4分別是雙面沖擊作用原理圖和試樣中心位置沖擊波的分布圖，為使整個激光沖擊光斑區(qū)域產(chǎn)生動態(tài)塑性變形，而光斑中心區(qū)域葉片不產(chǎn)生宏觀變形，結(jié)果滿足：P1＞2.5σH，2σH≤P1-P3≤2.5σH，P2-P4≥σH。并對沖擊后的葉片進(jìn)行振動疲勞試驗。從表1可以看出，未沖擊(1-1、1-2)，單面沖擊(2-1、2-2)，相同直徑、相同脈沖能量雙面同步?jīng)_擊(3-1、3-2)以及相同直徑、不同脈沖能量雙面同步?jīng)_擊(4-1、4-2)四個不同狀態(tài)下的振動疲勞壽命試驗，在430MPa、560MPa不同應(yīng)力條件下，結(jié)果表明經(jīng)過相同直徑、不同脈沖能量雙面同步?jīng)_擊處理后的渦輪葉片的疲勞壽命明顯提高，且滿足：P1＞2.5σH，2σH≤P1-P3≤2.5σH，P2-P4≥σH，最終實現(xiàn)光斑中心區(qū)域葉片不產(chǎn)生宏觀變形和破壞，又達(dá)到最佳的強(qiáng)化效果。表1狀態(tài)應(yīng)力/MPa疲勞壽命1-1(未沖擊)4302.49×1071-2(未沖擊)5601.23×1072-1(實施例1)4303×1072-2(實施例1)5602.49×1073-1(實施例2)4303.26×1073-2(實施例2)5602.86×1074-1(實施例3)4303.51×1074-2(實施例3)5603.05×107當(dāng)前第1頁1 2 3