航空发动机零件表面强化的装置及方法
【专利摘要】本发明提供了一种航空发动机零件表面强化的装置，包括多自由度机器人，用于带动工件移动；装夹模块，用于安装工件，其与所述机器人连接；三维形貌测量模块，用于检测工件表面的轮廓；纳米复合材料涂层添加模块，用于在工件表面添加纳米复合材料涂层；大功率短脉冲激光器，用于向工件表面发射脉冲激光；喷头模块，用于在激光冲击强化过程中向激光束与工件表面接触区域喷射液体；冲击波强度检测模块，用于检测脉冲激光在工件表面诱发的冲击波强度；以及控制器。采用本发明对工件进行强化，强化后的工件表面具有耐磨性、抗高温蠕变且在高温下有高稳定性，硬度提高，残余应力稳定，保证航空零件在高温、高压下稳定工作，疲劳寿命延长。
【专利说明】
航空发动机零件表面强化的装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及航空发动机中复杂零部件表面强化处理领域，具体涉及一种基于nLSP复合工艺的航空发动机零件表面强化的装置及强化方法。
【背景技术】
[0002]航空发动机中的零部件，如涡轮叶片、整体叶盘等，工作在高温、高压环境下，对零件的高温下的稳定性、耐磨、抗蠕变性能等有很高的要求。传统的喷丸强化对复杂零部件实施比较困难，容易引起薄壁件的变形，影响表面粗糙度和尺寸，本发明所使用的nLSP技术则避免了这个缺点，同时能保证强化后的工件表面在高温下的机械性能。
[0003]目前，关于激光冲击强化方面的专利CN103614541B《针对工件表面的激光强化装置及激光冲击强化处理方法》公开了一种提高激光诱发冲击波利用效率的装置，专利CN103898281A《整体叶盘遮蔽部位激光冲击强化用激光头》公开了一种柔性化激光头提高对整体叶盘的加工能力。但这些专利的激光冲击强化技术使用的限制层多为水溶液，冲击波较弱，工作效率低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种基于nLSP复合工艺的航空发动机零件表面强化的装置及强化方法，旨在用于解决现有的传统的强化方式对复杂零部件实施比较困难，容易引起薄壁件的变形，影响表面粗糙度和尺寸以及工作效率低的问题。
[0005]本发明是这样实现的:
本发明提供一种航空发动机零件表面强化的装置，其特征在于，包括:多自由度机器人，用于带动工件移动;装夹模块，用于安装工件，其与所述机器人连接;三维形貌测量模块，用于检测工件表面的轮廓;纳米复合材料涂层添加模块，用于在工件表面添加纳米复合材料涂层;大功率短脉冲激光器，用于向工件表面发射脉冲激光;喷头模块，用于在激光冲击强化过程中向激光束与工件表面接触区域喷射液体;冲击波强度检测模块，用于检测脉冲激光在工件表面诱发的冲击波强度；以及控制器，用于控制协调整个装置工作。
[0006]进一步地，所述机器人为六轴工业机器人或多自由度龙门架形式机器人。
[0007]进一步地，所述纳米复合材料涂层添加模块采用激光直接沉积或等离子体喷涂技术。
[0008]进一步地，所述纳米复合材料涂层添加模块设置有形成阵列的多个喷嘴。
[0009]进一步地，所述喷头模块喷射的液体为H202或异丙醇。
[0010]进一步地，还包括用于安装固定各个模块的机体，所述机体上包含用于回收、过滤和修复喷头模块喷射的溶液的子系统。
[0011 ]进一步地，所述三维形貌测量模块为三维激光扫描仪或者双目摄像头。
[0012]进一步地，所述冲击波强度检测模块为压电传感器。
[0013]进一步地，所述大功率短脉冲激光器具有两个，其中一个用于激光冲击强化处理，可以是纳秒YAG、皮秒或飞秒激光器;另一个用于结晶化纳米复合材料涂层，可以是连续波激光器或者是连续波激光器与纳秒激光器的结合。
[0014]本发明提供一种基于上述任一项所述的航空发动机零件表面强化的装置的强化方法，其特征在于，包括以下步骤:
(1)在工件表面添加纳米复合材料涂层，其包括将工件通过工件装夹模块安装到机器人上，使用三维形貌测量模块获取工件的表面轮廓数据，控制器获取该数据并重建出工件表面的三维模型，并进行机器人加工路径规划，机器人带动工件移动到纳米复合材料涂层添加模块，由纳米复合材料涂层添加模块向工件表面涂一层或多层均匀的纳米复合材料涂层；
(2)工件表面进行结晶化处理，其实现方式为大功率短脉冲激光器向工件表面发射一定功率的脉冲激光，使纳米复合材料中的晶界融合，机器人带动工件移动，完成整个工件的结晶化处理；
(3)再对工件表面进行激光冲击强化，具体实现过程为:使用三维形貌测量模块获取工件的表面轮廓数据，控制器获取该数据并重建出工件表面的三维模型，并进行机器人加工路径规划，机器人带动工件移动到激光冲击强化处理的初始位置，喷头模块向工件上喷射液体，然后大功率短脉冲激光器向工件上发射脉冲激光，机器人带动工件移动，完成整个工件的强化处理。
[0015]本发明具有以下有益效果:
1、本发明采用复合工艺对航空发动机零件表面进行强化处理，先在工件表面添加纳米复合材料涂层，然后再进行激光结晶化处理，最后是激光冲击强化处理，纳米材料硬质颗粒与工件的基体材料在激光冲击强化中充分作用，利用纳米材料硬质颗粒的钉锲作用，防止位错的滑移，这种特性在高温、高压下仍能保持稳定，所以强化后的工件表面具有耐磨性、抗高温蠕变且在高温下有高稳定性，硬度提高，残余应力稳定，保证航空零件在高温、高压下稳定工作，疲劳寿命延长。
[0016]2、激光冲击强化过程中的限制层为强氧化性溶液H202或高能量密度液体异丙醇，能获得更强的冲击波，提高加工效率。
[0017]3、工件由机器人带动移动，柔性高，不仅可以进行平面加工，也可对大曲率曲面进行加工。
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例提供的一种航空发动机零件表面强化的装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的对工件表面进行强化的工艺流程图；
图3为本发明实施例提供的对工件进行激光冲击强化时加工区域示意图。
[0019]附图标记说明:1-机器人，2-装夹模块，3-工件，4-冲击波强度检测模块，5-机体，
6-纳米复合材料涂层添加模块，7-大功率短脉冲激光器，8-喷头模块，9-三维形貌测量模块。
【具体实施方式】
[0020]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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021]如图1所示，本发明实施例提供一种航空发动机零件表面强化的装置，包括多自由度机器人1、用于安装工件3的装夹模块2、用于检测脉冲激光诱发冲击波强度的冲击波强度检测模块4、用于安装固定各个模块的机体5、用于在工件3表面添加纳米复合材料涂层的纳米复合材料涂层添加模块6、用于发射脉冲激光的大功率短脉冲激光器7、用于在激光冲击强化过程中在激光束与工件3表面接触区域喷射液体的喷头模块8、用于检测工件3表面轮廓的三维形貌测量模块9、以及控制器。
[0022]所述机器人I为六轴工业机器人或多自由度龙门架形式机器人。所述装夹模块2上的夹持装置为三爪卡盘、通用夹具或专门定制的专业夹持工具。
[0023]所述纳米复合材料涂层添加模块6采用激光直接沉积技术或等离子体喷涂技术，喷涂的纳米复合材料为由金属粉末和OD?2D纳米材料组成的复合材料。使用激光直接沉积技术时，设计一个能喷射纳米复合材料(如石墨稀、碳纳米管、氮化物硬质纳米粒子)与工件3材料(如高温合金等)预混合形成的的微米级粉末的喷嘴，在喷嘴中使用大功率短脉冲激光器7烧熔粉末，再由高压气体喷射到工件3表面。使用等离子体喷涂技术时，喷嘴中产生高温、高压的等离子气体将喷嘴中的纳米复合材料粉末融化，再经高压气体喷射到工件3表面。相比激光直接沉积技术，等离子体喷涂技术是一种成熟的、价格便宜、适合叶片等三维曲面型工件表面的喷涂技术。所述纳米复合材料涂层添加模块6设置有形成阵列的多个喷嘴，可以提尚嗔涂效率。
[0024]所述喷头模块8喷射的液体可以为强氧化性溶液(如H202)或高能量密度液体(如异丙醇)，用于提高激光冲击强化过程中冲击波的强度，提高加工效率。
[0025]所述机体5上包含用于回收、过滤和修复喷头模块8喷射的液体的子系统，用于回收利用这些喷射出的液体，以提高液体的利用率、降低成本。
[0026]所述三维形貌测量模块9为三维激光扫描仪或者双目摄像头，用于在工件3表面强化处理时实时获取工件3表面轮廓数据信息，为纳米复合材料涂层的涂敷和激光冲击强化过程提供工件3的位置信息。
[0027]所述冲击波强度检测模块4为压电传感器，用于测量激光诱发冲击波的强度，并用于调控大功率激光器输出功率以适应不同工件、工件的不同部位对冲击波强度的需求。
[0028]优选地，所述大功率短脉冲激光器7具有两个，其中一个用于激光冲击强化处理，可以是纳秒YAG、皮秒或飞秒激光器;另一个用于烧结或者结晶化纳米复合材料涂层，可以是连续波激光器或者是连续波激光器与纳秒激光器的结合。
[0029]如附图2所示，本发明的航空发动机零件表面强化的装置对工件3表面进行强化的方法，包括添加纳米复合材料涂层、激光结晶化和激光脉冲强化，具体过程如下:
一、工件3表面添加纳米复合材料涂层，包括以下步骤:
(1)将工件3通过工件装夹模块2安装到机器人I上，使用三维形貌测量模块9获取工件3的表面轮廓数据，控制器获取该数据并重建出工件3表面的三维模型，并进行机器人I加工路径规划；
(2)机器人I带动工件3移动到纳米复合材料涂层添加模块6的喷射区域内，采用激光直接沉积或者等离子体喷涂技术在高压气体的作用下将融化的纳米复合材料粉末喷射到工件3表面；
(3)完成工件3表面一个区域的喷射后，机器人I带动工件3继续移动，完成整个工件3的喷射，获得一层均匀的纳米复合材料涂层；
(4)重复以上步骤，可以在工件3表面上获取多层纳米复合材料涂层。
[0030]二、进行结晶化处理，包括以下步骤:
(1)大功率短脉冲激光器7向工件3表面发射一定功率的脉冲激光，使纳米复合材料中的晶界融合，机器人I带动工件3移动，完成整个工件3的结晶化处理；
(2)结晶化处理与添加纳米复合材料涂层交替进行，即添加一层纳米复合材料涂层就进行一次结晶化处理，循环往返即可在工件3表面添加多层纳米复合材料结晶涂层。
[0031]三、激光冲击强化处理，包括以下步骤:
(1)使用三维形貌测量模块9获取工件3的表面轮廓数据，控制器获取该数据并重建出工件3表面的三维模型，并进行机器人I加工路径规划；
(2)机器人I带动工件3移动到激光冲击强化处理的初始位置，喷头模块8向工件3表面喷射液体，然后大功率短脉冲激光器7向液体与工件3接触区域发射脉冲激光，在工件3表面形成高温、高压等离子体，并诱发高强度的冲击波，对工件3表面进行激光冲击强化处理，机器人I带动工件3移动，完成整个工件3的强化处理。
[0032]如图3所示，激光冲击强化的机理是，脉冲激光照射到工件上产生高温、高压的等离子体，然后诱发强烈的冲击波，由该冲击波对工件表面进行强化处理，冲击波使基体材料与纳米材料颗粒充分作用，提高了工件表面的耐磨性、抗高温蠕变性能等。喷头喷射到工件表面的溶液形成限制层，限制层的作用一方面是防止激光诱发的冲击波向周围环境中扩散，提高冲击波的利用率。另一方面是，当喷头喷射的液体为H202等强氧化性溶液时，激光的加热和H202的化学蚀刻效应会产生更高压的等离子体，进而产生强度更强的冲击波；当液体为异丙醇等高能量密度液体时，激光会诱发溶液产生爆炸性反应，产生更强烈的冲击波，这提高了激光冲击强化的加工效率。
[0033]在进行激光冲击强化的过程中，三维形貌测量模块9实时获取工件3表面的轮廓数据，传输到控制器后实时计算出工件3的强化处理区域位置。冲击波强度检测模块4实时测量激光诱发的冲击波强度并传输到控制器，然后控制器通过调节大功率短脉冲激光器7的输出功率，以适应不同工件、工件表面的不同区域对冲击波强度的需求。
[0034]在这些工艺过程中，为保证加工精度，采用反馈补偿的方式补偿机器人I运动精度、其他误差对加工精度的影响。具体的实现方式是，加工之前通过三维形貌测量模块9获取被加工工件3表面的轮廓数据信息，并经控制器获取工件3表面的三维模型进行机器人I的路径规划;在加工过程中，通过三维形貌测量模块9实时获取当前工件3的轮廓数据信息，并经控制器测算被加工工件3与纳米复合材料涂层添加模块6、喷头模块8或大功率短脉冲激光器7的相对位置，通过与理想位置的对比，反馈到机器人I的运动中，保证了涂层和激光冲击强化的加工精度。
[0035]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种航空发动机零件表面强化的装置，其特征在于，包括: 多自由度机器人，用于带动工件移动； 装夹模块，用于安装工件，其与所述机器人连接； 三维形貌测量模块，用于检测工件表面的轮廓； 纳米复合材料涂层添加模块，用于在工件表面添加纳米复合材料涂层； 大功率短脉冲激光器，用于向工件表面发射脉冲激光； 喷头模块，用于在激光冲击强化过程中向激光束与工件表面接触区域喷射液体； 冲击波强度检测模块，用于检测脉冲激光在工件表面诱发的冲击波强度； 以及控制器，用于控制协调整个装置工作。2.如权利要求1所述的航空发动机零件表面强化的装置，其特征在于:所述机器人为六轴工业机器人或多自由度龙门架形式机器人。3.如权利要求1所述的航空发动机零件表面强化的装置，其特征在于:所述纳米复合材料涂层添加模块采用激光直接沉积或等离子体喷涂技术。4.如权利要求1所述的航空发动机零件表面强化的装置，其特征在于:所述纳米复合材料涂层添加模块设置有形成阵列的多个喷嘴。5.如权利要求1所述的航空发动机零件表面强化的装置，其特征在于:所述喷头模块喷射的液体为H202或异丙醇。6.如权利要求1所述的航空发动机零件表面强化的装置，其特征在于:进一步包括用于安装固定各个模块的机体，所述机体上包含用于回收、过滤和修复喷头模块喷射的溶液的子系统。7.如权利要求1所述的航空发动机零件表面强化的装置，其特征在于:所述三维形貌测量模块为三维激光扫描仪或者双目摄像头。8.如权利要求1所述的航空发动机零件表面强化的装置，其特征在于:所述冲击波强度检测模块为压电传感器。9.如权利要求1所述的航空发动机零件表面强化的装置，其特征在于:所述大功率短脉冲激光器具有两个，其中一个用于激光冲击强化处理，可以是纳秒YAG、皮秒或飞秒激光器；另一个用于结晶化纳米复合材料涂层，可以是连续波激光器或者是连续波激光器与纳秒激光器的结合。10.一种航空发动机零件表面强化的方法，其特征在于，采用如权利要求1-9中任一项所述的航空发动机零件表面强化的装置，该方法包括以下步骤: (1)在工件表面添加纳米复合材料涂层，其包括将工件通过工件装夹模块安装到机器人上，使用三维形貌测量模块获取工件的表面轮廓数据，控制器获取该数据并重建出工件表面的三维模型，并进行机器人加工路径规划，机器人带动工件移动到纳米复合材料涂层添加模块，由纳米复合材料涂层添加模块向工件表面涂一层或多层均匀的纳米复合材料涂层； (2)工件表面进行结晶化处理，其实现方式为大功率短脉冲激光器向工件表面发射一定功率的脉冲激光，使纳米复合材料中的晶界融合，机器人带动工件移动，完成整个工件的结晶化处理； (3)再对工件表面进行激光冲击强化，具体实现过程为:使用三维形貌测量模块获取工件的表面轮廓数据，控制器获取该数据并重建出工件表面的三维模型，并进行机器人加工路径规划，机器人带动工件移动到激光冲击强化处理的初始位置，喷头模块向工件上喷射液体，然后大功率短脉冲激光器向工件上发射脉冲激光，机器人带动工件移动，完成整个工件的强化处理。
【文档编号】C23C4/123GK105862046SQ201610354631
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】刘胜, 程佳瑞, 郑怀, 王春喜, 廖道坤
【申请人】武汉大学