一种钛合金薄叶片变脉宽激光冲击强化工艺方法与流程

本发明涉及叶片激光强化技术领域，具体为一种钛合金薄叶片变脉宽激光冲击强化工艺方法。

背景技术：

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，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，其原理见说明书附图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(说明书附图2)，且叶片厚度随着叶边向叶身过渡逐渐增加(说明书附图3)，由于高能激光诱导的冲击波传播深度较深，会在叶片背部发生强烈反射、耦合(说明书附图4)，进而在叶片内部形成复杂的波系，导致难以形成均匀的残余压应力场，且使薄叶片产生宏观变形，不满足设计使用要求。

技术实现要素：

针对上述背景技术的不足，本发明提供了一种钛合金薄叶片变脉宽激光冲击强化工艺方法，具备创新性好、工艺简单、强化效果好和应用前景好等优点，解决了背景技术提出的问题。

本发明提供如下技术方案：一种钛合金薄叶片变脉宽激光冲击强化工艺方法，根据钛合金薄叶片的不同厚度设计不同的脉宽、能量对钛合金薄叶片进行分区激光冲击强化。

优选的，所述钛合金薄叶片分区激光冲击强化具体步骤如下：

(a)验证钛合金薄叶片变脉宽变能量冲击技术方案可行性；

(b)对钛合金薄叶片进行3d扫描，建立有限元模型；

(c)进行钛合金薄叶片变脉宽变能量激光冲击强化数值仿真；

(d)依据叶边厚度设计进行分区，开展分区激光冲击强化处理；

(e)对强化后的钛合金薄叶片表面残余应力场进行测试分析；

(f)进行钛合金薄叶片形貌测试。

优选的，在步骤d对钛合金薄叶片强化处理的设备为变脉宽激光器，主要由高效率陶瓷漫反聚光腔、电动转台能量调节装置、软边光阑、成像滤波和高精度任意波形调制器等部件组成。

本发明具备以下有益效果：

1.创新性好，克服现有薄叶片单一脉宽激光冲击而导致边缘区变形严重，应力分布不均匀的缺点，采用变脉宽纳秒脉冲激光对钛合金薄叶片侧边进行冲击强化；变脉宽激光器是工艺实现的设备基础，采用单模光纤种子光放大的技术路线，脉冲宽度5-50ns任意可调，并可以补偿后续放大系统的增益饱和效应。

2.工艺简单，只需要对薄叶片采用不同脉宽、不同能量的激光参数处理就可，操作简单，可行性高。

3.钛合金薄叶片的强化效果好，采用本工艺进行强化后叶片侧边表面引入-200mpa左右残余压应力，同时变形量得到有效控制，叶边变形量控制在0.2mm以内。试样的疲劳测试结果表明，其疲劳强度提升20％以上。

4.应用前景好，航空航天领域工程中存在大量薄壁构件，且普遍疲劳性能不足，本专利提供了一种工艺简单的薄壁构件强化方法，不需要辅助装置，工程推广前景大。

附图说明

图1为本发明激光冲击强化原理图；

图2为本发明航空发动机钛合金薄叶片局部示意图；

图3为本发明航空发动机钛合金薄叶片截面示意图；

图4为本发明冲击波在叶片背部的强烈反射耦合造成变形示意图；

图5为本发明变脉宽能量激光冲击强化原理图；

图6为本发明钛合金薄叶片有限元三维扫描图形及冲击强化区域划分示意图；

图7a为本发明薄叶片在图6中a区域冲击光斑搭接位置结构示意图；

图7b为本发明薄叶片在图6中b区域冲击光斑搭接位置结构示意图；

图7c为本发明薄叶片在图6中c区域冲击光斑搭接位置结构示意图；

图8为本发明不同厚度薄叶片变脉宽激光冲击残余压应力分布折线图；

图9为本发明不同厚度薄叶片变脉宽激光冲击残余压应力分布柱状图。

具体实施方式

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种钛合金薄叶片变脉宽激光冲击强化工艺方法，根据钛合金薄叶片的不同厚度设计不同的脉宽、能量对钛合金薄叶片进行分区激光冲击强化，具体步骤如下：

(a)建立薄叶片有限元模型，依据设计要求，冲击区域覆盖一弯节线的叶身叶边区域，如说明书附图6所示；

(b)依据仿真结果，将薄叶片划分不同区域，设计变脉宽参数和路径和强化路径，如说明书附图7a,7b,7c所示；

(c)调整变脉宽激光器，工作条件范围，变脉宽纳秒高能激光器采用单模光纤种子光放大的技术路线，主要由高效率陶瓷漫反聚光腔、电动转台能量调节装置、软边光阑、成像滤波和高精度任意波形调制器等部件组成，其设备特点是，①任意时域波形调节功能；②单纵模输出；③激光输出延时抖动小；④远程控制波形调节、能量调节；

(d)对薄叶片进行预处理，将薄叶片放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的乙醇的超声清洗机中，超声频率为40khz，清洗9min；

(e)薄叶片第一排区域，采用8ns，2j，2.6mm光斑，光斑搭接如说明书附图7a所示；

(f)薄叶片第二排区域，采用10ns，2.5j，2.6mm光斑，光斑搭接如说明书附图7b所示；

(g)薄叶片第三排及叶身区域，采用20ns，3j，2.6mm光斑,光斑搭接如说明书附图7c所示；

(h)试件后处理：将强化后的试件取下，去除工件表面涂覆的吸收保护层，将试件放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的乙醇水溶液的超声清洗机中，超声频率为40khz，清洗10min，然后利用去离子水冲洗2min后用干燥的氮气吹干；

(i)利用本方法，对钛合金叶片侧边进行了激光冲击强化，随机从叶边向叶身取两条线开展残余应力测试，测点间距为2mm。残余应力测试结果如图8所示，从图中可以沿着叶边也叶身边缘，残余压应力分布较为均匀，叶边数值在150-250mpa之间；

(j)运用xjtusd静态变形测量系统，基于三维摄影技术，采用高分高分辨率单反相机，通过拍摄激光冲击强化前后叶片的多幅图像测量变形结果，叶边变形量为0.3mm，满足发动机叶片设计要求。

本技术方案的技术原理主要是：脉宽和能量决定了激光冲击波压力和持续时间，进而影响冲击波传播深度，为此，依据激光冲击强化数值计算模拟，针对叶片不同厚度设计不同的脉宽、能量以达到控制薄叶片应力场分布和抑制宏观变形的目的。

补充说明：

1)：说明书附图中涉及长度和宽度标注单位均为毫米级单位。

2)：说明书附图4中，①的箭头方向表示高能激光束在薄叶片上的冲击方向；②表示压缩波在薄叶片上的走向；③表示拉伸波在薄叶片上的走向；④表示反射拉伸波在薄叶片上的走向；附图4右侧的⑤表示薄叶片变形视图。

3)：说明书附图6左侧视图中的框形区域表示冲击强化区域，右侧为具体强化区域分布，分为a、b、c三个区域。

4)：说明书附图7a为附图6中a区域的放大图(10竖排，每排20个光斑)；附图7a左侧视图中黑色箭头s1表示直线型强化路径；附图7a右侧视图为相邻光斑的放大图，光斑直径为2.6mm，搭接率为50％。

5)：说明书附图7b为附图6中b区域的放大图(20竖排，每排20个光斑)；附图7b左侧视图中黑色箭头s2表示s型强化路径；附图7b右侧视图为相邻光斑的放大图，光斑直径为2.6mm，搭接率为50％。

6)：说明书附图7c为附图6中c区域的放大图(20横排，每排40个光斑)；附图7c左侧视图中黑色箭头s3表示s型强化路径；附图7c右侧视图为相邻光斑的放大图，光斑直径为2.6mm，搭接率为50％。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。