本发明具体涉及纳秒脉冲激光冲击强化钛合金薄叶片冲击波吸收的方法。
背景技术
先进高推重比航空发动机向轻量化和整体化发展，其压气机/风扇广泛采用钛合金薄叶片，使用过程在离心力、空气激振力等交变载荷作用下，极易发生高周振动疲劳断裂，严重影响飞行安全。
激光冲击强化是提高航空发动机部件高周疲劳性能的重要技术手段，被美国国防部列为第四代战机发动机的76项关键技术之一，基本原理是利用短脉宽(ns量级)、高功率(>1gw/cm2)激光诱导等离子体冲击波(>1gpa)的力学效应，引起金属材料超高应变率(>106/s)塑性变形，形成残余压应力和微观组织变化，从而提高材料疲劳性能，其原理见图1。但针对钛合金薄叶片激光冲击强化，存在典型“薄”难题，这是由于激光冲击强化的能量载体是冲击波，冲击波在向材料内部传播引发塑性变形，形成残余压应力场和组织变化，冲击波传播规律直接决定着残余应力场的分布特征。但钛合金叶片尺寸较薄，其边缘厚度不足1mm(图2)，而冲击波传播深度较深，在叶片背部发生强烈反射、耦合(图3)，在叶片内部形成复杂的波系，难以形成均匀的梯度残余压应力场，同时使薄叶片产生宏观变形，不满足设计使用要求。
为了克服现有技术不足，本发明提供一种用于钛合金薄叶片的纳秒脉冲激光冲击波能量吸收装置。在钛合金薄叶片冲击背部和侧面设计制备一种声阻抗与钛合金材料相同的弹性体，使其贴合于叶片背面和侧面，在进行激光冲击强化时，激光诱导的冲击波在传播到靶材底时，利用声阻抗与靶材相匹配的弹性体贴合于靶材底面，可以将冲击波从靶材导出，起到“能量陷阱”效果，其原理如图4所示。通过弹性体“能量陷阱”的作用，80％以上的冲击波能量将透过贴合面，向弹性体内部传播并耗散掉；只有20％左右的冲击波能量在弹性体和钛合金叶片背面贴合面上形成反射,因此，我们提出纳秒脉冲激光冲击强化钛合金薄叶片冲击波吸收的方法。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题克服现有的缺陷，提供纳秒脉冲激光冲击强化钛合金薄叶片冲击波吸收的方法，在对钛合金薄叶片侧、边缘进行激光冲击强化处理时，利用特定的冲击波能量吸收装置将冲击波从叶片侧边、背面导出，从而控制薄叶片冲击变形并提升强化效果，可以有效解决背景技术中的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供纳秒脉冲激光冲击强化钛合金薄叶片冲击波吸收的方法，包括按照一定的配比将金属粉末材料和有机溶剂配制出的阻抗匹配弹性体、利用激光逆向扫描和3d打印技术制作钛合金薄叶片模具、叶片与弹性体固紧装置以及实施方法，将叶片、弹性体、模具装配后进行激光冲击强化，控制形成均匀的残余压应力和宏观变形。
优选的，所述实施方法包括以下步骤：
1、验证能量陷阱装置实现透波的可行性；
2、配制出阻抗匹配弹性体作为导波材料；
3、对叶片进行3d扫描，建立模型；
4、根据钛合金薄叶片的三维建模图以及阻抗匹配弹性体厚度为0.5mm～1mm的要求，利用ug三维建模软件设计叶片型面模具；
5、设计叶片冲击波能量吸收装置夹具，进行紧固装配；
6、对钛合金薄叶片边缘进行激光冲击强化处理；
7、进行钛合金叶片表面残余应力场测试分析；
8、进行钛合金薄叶片形貌测试。
本发明所达到的有益效果是：
1、通过在待强化叶片背面安装能量陷阱装置，利用现有激光冲击强化技术，实现薄叶片表面冲击强化技术突破，操作简单，可行性高，可直接在已有设备上改装；
2、克服现有薄叶片激光冲击强化降功率、降脉宽而导致强化效果不好，双面冲击强化又容易导致内部形成拉伤的缺点，采用能量为2～5j、光斑直径为1～2mm的纳秒脉冲激光对钛合金薄叶片侧边进行冲击强化，是进行薄叶片强化的关键核心技术；
3、强化效果好。现有强化技术会在叶片侧边表面引入的残余应力分布不均
匀，采用本装置进行强化后叶片侧边表面引入150～300mpa左右残余压应力，同时变形量得到有效控制，叶尖变形量从1mm降至0.2mm以下，而对试样的疲劳测试结果表明，其疲劳强度提升30％以上。
a、运用abaqus数值仿真技术，验证能量陷阱装置实现透波的可行性。
b、与激光冲击强化相比，纳秒脉冲微激光冲击强化诱导产生的塑性变形层深度较浅，适合薄叶片。冲击波吸收装置可以将激光诱导冲击波从钛合金薄叶片背面透射过去，验证了冲击波吸收装置实现透波的可行性。
c、激光诱导冲击波从钛合金薄叶片背面透射过去，较一般激光冲击强化效果显著改善，在表面引入一定的残余压应力。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是激光冲击强化原理图；
图2是冲击波在叶片背部的强烈反射耦合造成变形开裂示意图；
图3是冲击波能量吸收装置原理示意图a；
图4是冲击波能量吸收装置原理示意图b；
图5是冲击波吸收装置示意图；
图6是冲击波吸收装置整体装配图；
图7是有无能量吸收装置叶片表面残余应力分布折线图；
图8质量守恒定律公式；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：参照示意图5，设计制造冲击波吸收装置。(a)建立导波材料有限元模型如图3所示，该模型分为上、下两层，上层为钛合金薄板件，下层为与钛合金板材阻抗匹配的导波材料，验证透波可行性，数值仿真结果如图7，冲击波吸收装置可以实现80％透波，但仍有部分在背面反射。
(b)制作阻抗匹配弹性体。硅基树脂的密度较小，为了实现弹性体与钛合金叶片的密度相近，需向树脂内添加密度较大的金属粉末，选择ni、ag等密度较大的金属粉末。根据质量守恒定律，计算公式如图8所示。
通过计算得到金属粉末材料和有机溶剂的配比为：铜粉：钛粉：镍粉：银粉：聚酰胺树脂：环氧树脂：丙酮＝10：8：10：2：3：5：2，按照该比例配制出阻抗匹配弹性体。
(c)用xscan-x01型非接触式三维扫描仪对叶片3d扫描，从而获取叶片型面参数，并在ug软件中对其进行建模，根据钛合金薄叶片的三维建模图以及阻抗匹配弹性体厚度为0.5mm～1mm的要求，利用ug三维建模软件设计叶片型面模具。
(d)采用紫晶立方reprapprusai3三代3d打印机制作钛合金叶片模具。由于叶片尺寸较大，打印机无法全尺寸打印，将模具分成叶背、叶盆上下两部分分别进行打印制作。叶片模具边缘有2mm高的凸起，能够实现弹性体与叶片的紧密贴合，并能对叶片进行周向固定。
(e)通过叶片榫头部位与机械手臂的装夹，实现整个装置的紧固装配，如图6。
(f)采用能量为2～5j、光斑直径为1～2mm的纳秒脉冲激光对钛合金薄叶片侧边进行冲击强化。
(g)利用本方法，对钛合金叶片侧边进行了激光冲击强化。在叶片边缘选取等间距6个点进行残余应力测试，测点间距为2mm。残余应力测试结果如图7所示，从图中可以看出无冲击波吸收装置时表面残余应力分布不均匀，而在冲击波吸收装置的作用下，叶片侧边的表面残余压应力大约为150～300mpa左右。
(h)运用三维激光逆向扫描技术测量激光冲击强化前后叶片的变形量，发现叶尖变形由1mm降至0.2mm以下，该装置能有效控制其变形量。
本发明在对钛合金薄叶片侧、边缘进行激光冲击强化处理时，利用特定的冲击波能量吸收装置将冲击波从叶片侧边、背面导出，从而控制薄叶片冲击变形并提升强化效果，适宜推广使用。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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之内。