专利名称：低流量的边界倾斜激光冲击硬化的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光冲击硬化，更具体地涉及采用低流量(fluence)的倾斜激光束对界定了激光冲击硬化表面的边界区域进行激光冲击硬化的方法和产品。
背景技术：
激光冲击硬化也称为激光冲击处理，它是一种通过对物体的表面区域进行激光冲击硬化来产生较深的残余压应力区域的工艺。激光冲击硬化通常使用一个或多个源自约50焦耳或以上的高能脉冲激光束的辐射脉冲来在物体表面上产生强冲击波，其类似于题为“改变材料特性”的美国专利No.3850698、题为“激光冲击处理”的美国专利No.4401477以及题为“材料特性”的美国专利No.5131957中所公开的方法。在题为“使用低能量激光的激光冲击硬化”的美国专利No.5932120中公开了低能量激光束的应用，该专利于1999年8月3日授权，并已转让给本发明的受让人。如本领域所理解并在本文中所使用的那样，激光冲击硬化意味着利用来自激光束源的脉冲激光束，通过可形成等离子的表面上的薄层或涂层(如胶带或涂料)的瞬时消融或蒸发来在激光束的冲击点处产生爆炸力，从而在一部分表面上形成较强的局部压力。
激光冲击硬化正被应用在燃气涡轮发动机领域的许多应用中，在题为“飞行器上的激光冲击硬化”的美国专利No.5756965、题为“激光冲击硬化过的燃气涡轮发动机的风扇叶片边缘”的美国专利No.5591009、题为“用于激光冲击硬化过的燃气涡轮发动机的压缩机叶片边缘的变形控制”的美国专利No.5531570、题为“用于涡轮机的激光冲击硬化过的转子部件”的美国专利No.5492447、题为“用粘结带进行覆盖的激光冲击硬化”的美国专利No.5674329以及题为“用干胶带进行覆盖的激光冲击硬化”美国专利No.5674328中公开了其中的一些例子，所有这些专利均已转让给本发明的受让人。
如在题为“激光硬化系统和方法”的美国专利No.4937421中所公开的那样，激光冲击硬化已经用于在物体的外表面上产生压应力保护层，其能够显著地提高物体抵抗疲劳破坏的能力。这些方法通常使用在物体上流动的水幕或其它一些方法来提供等离子约束媒介。这种媒介可使等离子快速地达到冲击波压力，这将产生塑性变形和形成了激光冲击硬化(LSP)效果的相关残余应力分布形式。水幕提供了一种约束媒介，其将由该工艺产生的冲击波约束并重定向到被激光冲击硬化的零件的材料体积内，以产生有利的残余压应力。
源自快速膨胀的等离子的压力脉冲将行进冲击波传播至零件内。这种由激光脉冲所引起的压缩冲击波导致了在零件中产生深度的塑性压缩应变。这些塑性应变产生了与材料的动态模量相一致的残余应力。在工程零件中由激光冲击硬化所引起的残余压应力的许多有用的优点已经获得了很好的证明并申请了专利，这些优点包括在疲劳能力方面的提高。这些残余压应力由零件中的残余拉应力来平衡。较大的残余拉应力可能会局部地降低零件的疲劳能力，因此应当降低残余拉应力和/或使之降到最小。可在零件上的选出部位处进行激光冲击硬化，以便解决特定的问题。平衡的拉应力通常产生于激光冲击硬化区域的边缘处。在紧邻激光冲击硬化斑点处或沿着斑点边缘的区域形成了细窄带或线形形式的拉应力。需要进行大量的有限元分析来确定这些拉应力将滞留何处，并对LSP斑点进行设计和将其尺寸加工成使得拉应力带终止于物体或零件的惰性部分中(例如不是弯曲、扭转或其它振动模式中之一的高应力线)。希望能降低激光冲击硬化区域和非激光冲击硬化区域之间的过渡区域内的这些拉应力的水平。
发明内容
一种用于对物体进行激光冲击硬化的方法，包括在第一区域的第一表面处利用至少一条高流量的正交激光束对第一区域进行激光冲击硬化，并在第一区域和物体的非激光冲击硬化区域之间的边界区域处利用至少一条第一低流量的倾斜激光束对该边界区域进行激光冲击硬化。在本方法的一个具体实施例中，第一低流量的倾斜激光束具有为高流量正交激光束的约50％的流量，高流量正交激光束例如具有约200焦耳/平方厘米的流量。在本发明的另一更具体的实施例中，第一低流量的倾斜激光束用于仅在边界区域中形成一排第一低流量的激光冲击硬化斑点。
本方法的另一实施例还包括利用第一低流量的倾斜激光束对界定了第一区域的边界区域的第一部分进行激光冲击硬化，并利用第二低流量的倾斜激光束对位于第一区域和非激光冲击硬化区域之间的边界区域的第二部分进行激光冲击硬化，其中第二低流量的倾斜激光束具有比第一低流量的倾斜激光束更低的流量。在本方法的一个更具体的实施例中，第一低流量的倾斜激光束具有为高流量的正交激光束的约50％的流量。第二低流量的倾斜激光束具有为第一低流量的倾斜激光束的约50％的流量。在另一更具体的实施例中，高流量的正交激光束具有约200焦耳/平方厘米的流量。
本方法的另一实施例还包括利用从第一低流量的倾斜激光束开始的渐变式低流量的倾斜激光束对边界区域进行激光冲击硬化，其中该渐变式低流量的倾斜激光束在从第一区域经由边界区域到非激光冲击硬化区域上的向外方向上处于从最大流量到最小流量的顺序。本方法的一个更具体的实施例还包括在第一区域中形成高流量的激光冲击硬化斑点，在边界区域中形成第一低流量的激光冲击硬化斑点，并在相同的功率级或能级下操作高流量的正交激光束和低流量的倾斜激光束，其中第一低流量的激光冲击硬化斑点在面积上大于高流量的激光冲击硬化斑点。
图1是作为示例性物体的风扇叶片的透视图，其中在第一区域中利用高流量的正交激光束来进行激光冲击硬化，而在第一区域和物体的非激光冲击硬化区域之间的边界区域中利用低流量的倾斜激光束来进行激光冲击硬化。
图2是图1所示风扇叶片的翼型前缘处的激光冲击硬化区域的截面视图。
图3是对图1所示物体进行激光冲击硬化的方法的示例性示意图，其中在第一区域中利用高流量的正交激光束来进行激光冲击硬化，而在第一区域和物体的非激光冲击硬化区域之间的边界区域中利用低流量的倾斜激光束来进行激光冲击硬化。
图4是一种激光冲击硬化方法的概略性视图，其在图3所示的边界区域中使用了两行渐变式低流量的激光冲击硬化斑点。
图5是一种激光冲击硬化方法的概略性视图，其在图3所示的边界区域中使用了三行渐变式低流量的激光冲击硬化斑点。
图6是一种羽状激光冲击硬化方法的概略性图，其在图3所示的边界区域中使用了多行渐变式低流量的激光冲击硬化斑点以获得羽状效果。
各幅图中的标号含义如下8风扇叶片；10物体；14第一区域；16高流量的正交激光束；20边界区域；22非激光冲击硬化区域；24第一低流量的倾斜激光束；26一行；30高流量的激光冲击硬化斑点；31第一低流量的激光冲击硬化斑点；32第一部分；34翼型；35叶片基部；36叶片缘板；37内端；38叶尖；39第二部分；40根部；42叶根；44叶柄；45第二低流量的激光束；54激光冲击硬化的斑点或表面；56预应力区域；60第二低流量的激光冲击硬化斑点；62第三低流量的激光冲击硬化斑点；64渐变式低流量的激光冲击硬化斑点；AS小斑点面积；AL大斑点面积；B斜角；B1第一斜角；B2第二斜角；B3第三斜角；B4第四斜角；B5第五斜角；BN直角；C弦长；D直径；L长度；L1第一长度；L2第二长度；L3第三长度；L4第四长度；L5第五长度；S1第一卵形激光冲击硬化斑点；S2第二卵形激光冲击硬化斑点；S3第三卵形激光冲击硬化斑点；S4第四卵形激光冲击硬化斑点；S5第五卵形激光冲击硬化斑点；LE前缘；TE后缘。
具体实施例方式
在图1和2中显示了具有翼型34的风扇叶片8，翼型34由钛合金制成，并从叶片缘板36中从叶片基部35到叶尖38径向向外地延伸。叶片8代表了可进行低流量的边界激光冲击硬化的硬金属物体10。风扇叶片8包括根部40，其从缘板36径向向内地延伸到根部40的径向内端37。叶根42位于根部40的径向内端37处，并通过叶柄44与缘板36相连。翼型34沿弦向在翼形的前缘LE和后缘TE之间延伸。翼形34的弦长C是在叶片各截面中的前缘LE和后缘TE之间的直线。
众所周知，可利用激光冲击硬化来克服物体中某些部分处的可能的疲劳失效。通常来说，物体如叶片8的一面或两面都经过了激光冲击硬化，产生了激光冲击硬化斑点或表面54和预应力区域56，该区域具有由激光冲击硬化方法所施加的从激光冲击硬化表面54延伸到物体中的深度残余压应力。
图1和2所示的示例性激光冲击硬化表面54形成为沿着前缘LE的一部分。预应力区域56中的由激光冲击硬化所施加的残余压应力由残余拉应力来平衡，该拉应力延伸到叶片中的界定了激光冲击硬化斑点或表面54的区域内，这就可能会局部地降低叶片或其它物体在激光冲击硬化表面54附近的由激光冲击硬化增强的疲劳能力。可在边界区域20中进行低流量的边界激光冲击硬化，以便降低这些残余拉应力并减小或消除所降低的疲劳能力，该边界区域20位于高流量的激光冲击硬化的第一区域14和激光冲击硬化斑点或表面54之外的非激光冲击硬化区域22之间。
图3显示了用于对物体如风扇叶片8进行激光冲击硬化的低流量的边界激光冲击硬化方法。该方法包括利用至少一条高流量的正交激光束16对第一区域14进行激光冲击硬化，并利用至少一条第一低流量的倾斜激光束24对位于物体10的第一区域14和非激光冲击硬化区域22之间的边界区域20进行激光冲击硬化。高流量的正交激光束16正交于激光冲击硬化表面54，相对于表面54成90度或直角BN。低流量的倾斜激光束24是倾斜的，相对于表面54形成斜角B。
在本方法的一个示例性实施例中，第一低流量的倾斜激光束24在表面54上具有为高流量的正交激光束16的约50％的流量。高流量的正交激光束16的一个特别有效的流量为约200焦耳/平方厘米。激光束可具有相同的功率，并在与其正交的表面上具有相同的流量，然而可通过调节激光束或表面54来使激光束倾斜于物体10的表面54。斜射束产生卵形的激光束斑点，而正交射束产生圆形的激光束斑点。如果两条射束具有相同的功率，那么穿过卵形激光束斑点的流量小于穿过圆形激光束斑点的流量。这样，可利用相同的射束来以高流量的激光冲击硬化的方式对第一区域14进行激光冲击硬化，并以低流量的边界激光冲击硬化的方式对边界区域20进行激光冲击硬化。
在图3中显示了形成于第一区域14中的高流量的激光冲击硬化斑点30，其为圆形的并具有直径D和较小的斑点面积AS。形成于边界区域20中的第一低流量的激光冲击硬化斑点31显示为卵形，并具有等于直径D的宽度、长度L以及较大的斑点面积AL。这意味着高流量的正交激光束16和第一低流量的倾斜激光束24可具有相同的直径和功率，但在表面54上具有不同的激光束截面积和流量。或者，高流量的正交激光束16和第一低流量的倾斜激光束24可具有不同的功率级或能级。本方法设计成可使用约20到50焦耳的高能激光束，或者使用约3到10焦耳的低能激光束，以及其它能级的激光束。例如可见于1997年10月7日授权的美国专利No.5674329(使用高能激光的LSP工艺)以及于1999年8月3日授权的美国专利No.5932120(使用低能激光的LSP工艺)。
激光能量和激光束尺寸的组合为高流量的正交激光束16提供了通常高达约200焦耳/平方厘米的能量密度或流量，然而也可使用更低一些的流量。高流量的激光冲击硬化斑点30显示为具有圆形的形状，但也可具有其它的形状，例如卵形或椭圆形(参见于2003年4月1日授权的Mannava等人的题为“激光冲击硬化的整体式叶片的转子叶缘”的美国专利No.6541733)。低流量的激光冲击硬化斑点31显示为具有卵形，但也可具有其它的形状如椭圆形。激光冲击硬化斑点通常形成为重叠斑点的重叠行的形式。一种特别的设计是在一行中的两个斑点之间以及相邻行是的斑点之间具有约30％的直径重叠。
在图3所示的方法实施例中，第一低流量的倾斜激光束24仅用于在边界区域20中产生一行第一低流量的激光冲击硬化斑点31的行26。图4所示的另一方法实施例包括利用第一低流量的倾斜激光束24以相对于表面54成第一斜角B1的方向对界定了第一区域14的边界区域20的第一部分32进行激光冲击硬化，并利用第二低流量的倾斜激光束45以相对于表面54成更小的第二斜角B2的方向对位于第一部分32和非激光冲击硬化区域22之间的边界区域20的第二部分39进行激光冲击硬化。虽然使用相同的激光束，然而由于第二斜角B2小于第一斜角B1，因此第二低流量的倾斜激光束45具有比第一低流量的倾斜激光束24更低的流量。可采用处于直角BN、第一斜角B1及第二斜角B2这三个不同角度下的相同激光束来对表面54进行激光冲击硬化，从而形成高流量的激光冲击硬化的第一区域14和低流量的激光冲击硬化的边界区域20。在本方法的一个更具体的实施例中，第一低流量的倾斜激光束24具有为高流量的正交激光束16的约50％的流量。第二低流量的倾斜激光束45具有为第一低流量的倾斜激光束24的约50％的流量。高流量的正交激光束16的一个特别有用的流量为约200焦耳/平方厘米。也可在边界区域20中使用其它数量例如三条低流量的倾斜激光束，它们分别由第一、第二和第三行的第一、第二和第三低流量的激光冲击硬化斑点31，60和62来表示，如图5所示。
图6显示了利用渐变式低流量的倾斜激光束对边界区域20进行激光冲击硬化的羽状边界区域20，这些倾斜激光束从第一低流量倾斜激光束24开始，并由渐变式低流量的激光冲击硬化斑点64来表示，其中渐变式低流量的倾斜激光束在从第一区域经边界区域20到非激光冲击硬化区域22的向外方向上处于从最大流量到最小流量的顺序。渐变式低流量的倾斜激光束可通过使相同功率的低流量的倾斜激光束相对于表面54倾斜成渐变式降低或减小的斜角来产生，这些斜角由第一至第五斜角B1-B5来显示。相应低流量的第一至第五卵形激光冲击硬化斑点S1-S5具有与圆形激光冲击硬化斑点的直径D相等的宽度，以及逐渐增大的第一至第五长度L1-L5。羽状效果可通过三行或四行或更多行的低流量的倾斜激光束来实现。一种示例性的羽状形成方法包括使高流量正交激光束的200焦耳/平方厘米的流量以-50焦耳/平方厘米的增量逐渐降低至50焦耳/平方厘米，这样就具有分别由150焦耳/平方厘米、100焦耳/平方厘米和50焦耳/平方厘米流量的倾斜激光束所产生的三行低流量的激光冲击硬化斑点。另一示例性的羽状形成方法包括使高流量正交激光束的200焦耳/平方厘米的流量以-25焦耳/平方厘米的增量逐渐降低至25焦耳/平方厘米，这样就具有分别由175焦耳/平方厘米、150焦耳/平方厘米、125焦耳/平方厘米、100焦耳/平方厘米、75焦耳/平方厘米、50焦耳/平方厘米和25焦耳/平方厘米流量的倾斜激光束所产生的七行低流量的激光冲击硬化斑点，并在相同的功率级或能级下来操作高流量的正交激光束16和低流量的倾斜激光束24。
在上文中已就将高流量的正交激光束16应用在高流量激光冲击硬化的第一区域14中介绍了低流量的边界倾斜激光冲击硬化方法的示例性实施例。或者，也可使用大斜角的激光束，虽然其不与表面54垂直，但与低流量的倾斜激光束24相比还是具有较大的流量。用于产生大斜角激光束的相同激光可用来产生低流量的倾斜激光束24。与大斜角激光束的大斜角相比而言，低流量的倾斜激光束相对于表面54形成了明显更小的斜角。
在上文中已通过示例性方式介绍了本发明。应当理解，所用术语在本质上具有描述性而非限制性。虽然在这里已经介绍了被认为是本发明的优选和代表性的实施例，然而对于本领域的技术人员来说很明显，从本文所授的内容中可知晓本发明的其它修改，因此，在所附权利要求中希望保护所有这些属于本发明的精髓和范围内的修改。
因此，希望由美国专利证书保护的是在下述权利要求书中所定义并区分的发明。
权利要求
1.一种用于对物体(10)进行激光冲击硬化的方法，所述方法包括利用至少一条相对于激光冲击硬化表面(54)垂直的高流量的正交激光束(16)对所述表面(54)的第一区域(14)进行激光冲击硬化，和利用至少一条相对于所述表面(54)倾斜的第一低流量的倾斜激光束(24)对所述第一区域(14)和所述物体(10)的非激光冲击硬化区域(22)之间的所述表面(54)的边界区域(20)进行激光冲击硬化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一低流量的倾斜激光束(24)具有为所述高流量的正交激光束(16)的约50％的流量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高流量的正交激光束(16)具有约200焦耳/平方厘米的流量。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一低流量的倾斜激光束(24)用于仅在所述边界区域(20)中产生一行第一低流量的激光冲击硬化斑点的行(26)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括利用所述第一低流量的倾斜激光束(24)对界定了所述第一区域(14)的所述边界区域(20)的第一部分(32)进行激光冲击硬化，并利用第二低流量的倾斜激光束(45)对所述第一区域(14)和非激光冲击硬化区域(22)之间的所述边界区域(20)的第二部分(39)进行激光冲击硬化，其中所述第二低流量的倾斜激光束(45)具有比所述第一低流量的倾斜激光束(24)更低的流量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一低流量的倾斜激光束(24)具有为所述高流量的正交激光束(16)的约50％的流量，所述第二低流量的倾斜激光束(45)具有为所述第一低流量的倾斜激光束(24)的约50％的流量。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括利用从所述第一低流量的倾斜激光束(24)开始的渐变式低流量的激光束对所述边界区域(20)进行激光冲击硬化，其中所述渐变式低流量的倾斜激光束在从所述第一区域经边界区域(20)到非激光冲击硬化区域(22)的向外方向上处于从最大流量到最小流量的顺序，并且相对于所述表面(54)形成逐渐减小的斜角(B1-B5)。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述第一区域(14)中利用所述高流量的正交激光束(16)来形成高流量的激光冲击硬化斑点(30)，在所述边界区域(20)中利用所述低流量的倾斜激光束(24)来形成第一低流量的激光冲击硬化斑点(31)，和在相同功率下操作所述高流量的倾斜激光束(16)和低流量的倾斜激光束(24)。
9.一种经激光冲击硬化的物体(10)，包括经激光冲击硬化的表面(54)，其具有经激光冲击硬化的第一区域(14)以及位于所述第一区域(14)和所述物体(10)的非激光冲击硬化区域(22)之间的经激光冲击硬化的边界区域(20)，其中，所述经激光冲击硬化的第一区域(14)利用至少一条高流量的正交激光束(16)来进行激光冲击硬化，和所述经激光冲击硬化的边界区域(20)利用至少一条第一低流量的倾斜激光束(24)来进行激光冲击硬化。
10.根据权利要求9所述的物体，其特征在于，所述边界区域(20)利用从所述第一流量激光束(24)开始的渐变式低流量的激光束来进行激光冲击硬化，其中所述渐变式低流量激光束在从所述第一区域经边界区域(20)到非激光冲击硬化区域(22)的向外方向上处于从最大流量到最小流量的顺序。
全文摘要
一种激光冲击硬化方法，包括利用至少一条高流量的正交激光束(16)对第一区域(14)进行激光冲击硬化，并利用至少一条第一低流量的倾斜激光束(24)对位于第一区域(14)和物体(10)的非激光冲击硬化区域(22)之间的边界区域(20)进行激光冲击硬化。边界区域(20)可由两条或多条低流量的倾斜激光束(45)来进行激光冲击硬化。第二低流量的倾斜激光束(45)和其它激光束具有比第一低流量的倾斜激光束(24)更低的流量。边界区域(20)可利用从第一流量的倾斜激光束(24)开始的渐变式低流量的倾斜激光束来进行激光冲击硬化，其中这些渐变式低流量的倾斜激光束在从第一区域经边界区域(20)到非激光冲击硬化区域(22)的向外方向上处于从最大流量到最小流量的顺序。
文档编号B23K103/14GK1664129SQ20051005303
公开日2005年9月7日 申请日期2005年3月2日 优先权日2004年3月2日
发明者S·R·曼纳瓦, W·W·舍菲尔德 申请人:通用电气公司