一种变光斑多层交错激光冲击均匀强化叶片的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及到激光表面冲击强化技术，特指一种变光斑激光冲击均匀强化工艺方法，适合于汽轮机低压过渡区叶片、燃气轮机叶片、飞机涡轮等叶片类零件边缘均匀强化处理。
【背景技术】
[0002]激光冲击强化是一种新型的表面强化技术，强激光作用于金属表面形成的超强冲击波使金属表层产生剧烈塑性变形，诱导较深残余压应力和细化晶粒，显著提高了金属零件表面性能，与其他技术相比具有高压(冲击波压力达到GPa-TPa量级)、高能(峰值功率达到GW量级)、超快(几十纳秒)和超高应变率(达到)四个鲜明特点；其形成的残余压应力层能有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，能够显著提高金属零件的疲劳寿命以及抗腐蚀和抗磨损能力。而光斑形状也是影响冲击效果的重要因素，单脉冲能量均匀分布的方形光斑产生等强度的平面冲击波，形成“面强化”效应诱导的残余压应力均匀性好，粗糙度小，强化效果佳；大量的研究证明激光冲击强化技术是延长裂纹萌生时间降低裂纹扩展速度提高材料寿命的有效手段，也是极端条件下的先进制造方法之一，具有常规加工方法无可比拟的优点和显著的技术优势。
[0003]1994年12月，在美国国防部制造技术(ManTech)研究计划下，美国通用电气(GE)公司和激光冲击强化技术(LSPT)公司合作开发激光冲击强化技术，以提高整体叶盘和风扇叶片的耐久性和降低其对外来物损伤的敏感性。
[0004]2002年开始，美国金属改性公司(MIC)将激光冲击强化技术商业化推广，对波音、空客、湾流等公司飞机叶片进行强化处理，并拓展到汽轮机叶片的强化处理上，取得了显著的强化效果和经济效益。
[0005]本世纪初期，法国科学家Peyre就尝试将激光冲击强化技术应用到奥氏体不锈钢抗点蚀性能的研究上，结果表明AISI 316不锈钢经激光冲击强化后在0.5 MNaCl溶液中的抗点蚀性能明显提尚。
[0006]工件表面的微观形貌和残余应力及晶粒细化深度对其质量和性能有显著影响，直接影响到工件表面的接触强度、抗腐蚀性、耐磨性、密封性、抗疲劳性等；
由于激光冲击强化在大面积搭接连续冲击时，特别是冲击曲面时，由于在超短时间内产生超强等离子体汽化爆炸，多次冲击时非常容易使吸收层翘曲、剥落，从而导致材料表面烧蚀和破损；因此采用激光冲击强化提高抗腐蚀性能必须解决以下几个共性基础问题:(I)冲击导致的残余压应力场和表面微形貌均匀性问题；(2)材料变截面沿展向长度相对厚度不同的强化效果一致性问题；(3)材料变曲率扭曲表面的激光冲击强化工艺准则；
(4)大面积搭接冲击时搭接区域吸收层易翘曲、易剥落的难题。
【发明内容】
[0007]为了解决上述问题，本发明提出了一种变光斑多层交错激光冲击均匀强化叶片的方法；即采用方形光斑多次不同光斑尺寸的多层交错激光冲击的方法，有效的降低表面粗糙度，产生更厚的残余应力和晶粒细化层，增强抗腐蚀性能，提高工件寿命；需要说明的是要防止激光能量密度超过材料能承受的阈值，造成材料表面的损伤，这一阈值不同材料有所不同，需要具体分析。本发明的光斑尺寸变化只考虑在破坏阈值范围。
[0008]具体操作步骤为:
(I)在工件待加工表面覆盖网格状吸收层，并将工件安装五轴工作台上；图2为网格状吸收层正面示意图，单个网格的边长为a。
[0009](2)通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数，使其光斑形状为方形，边长尺寸为同样为a，相邻方形光斑紧挨不搭接。
[0010](3)通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层角点的单个网格重合，作为第一层的激光冲击强化处理起始点位置，即图3-a中的A点，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致。
[0011](4)采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动和转动实现对工件待加工表面进行第一层激光冲击强化。
[0012](5)通过激光器控制装置改变激光器光斑尺寸参数，使其光斑形状为方形，边长尺寸为a/2，相邻方形光斑紧挨不搭接，其他工艺参数不变。
[0013](6)通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与偏移点位置重合，偏移点从步骤(3 )中的冲击区域起始点在X方向向冲击区域外偏移a/3，Y方向向冲击区域外偏移a/3，作为第2层的激光冲击强化处理起始点位置，即图3-b中的B点，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致。
[0014](7)采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动和转动实现对工件待加工表面进行第2层激光冲击强化。
[0015](8)通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与偏移点重合位置，偏移点从步骤(6)中的冲击区域起始点位置在X方向向冲击区域外偏移a/3，Y方向向冲击区域外偏移a/3，作为第3层的激光冲击强化处理起始点位置，即图3-b中的C点，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致；激光器的工艺参数同步骤5。
[0016](9)采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动和转动实现对工件待加工表面进行第三层激光冲击强化。
[0017]本发明所采用的激光冲击强化用的脉冲激光束为正方形光斑，边长a为2-8 mm,频率为1-5 Hz，脉宽为8-30 ns，脉冲能量3-15 J0
[0018]激光光斑尺寸减少的设计可以用公式来说明，激光功率密度计算公式:；式中E为脉冲能量(J)，为脉宽(ns)，D为光斑直径(cm)，=0.8 ;如图4在相同的激光能量密度的条件下，光斑尺寸较大会使得塑性变形深度变大，产生更厚的残余应力和晶粒细化层；而较小尺寸的光斑产生的残余应力层较小，网格吸收层背面具有粘性，能够吸附在光滑工件表面。
[0019]本发明的有益效果:本方法使用相邻光斑紧挨不搭接的方式，进行多次不同光斑尺寸的层间交错冲击，能够有效消除光斑边界效应，减少加工表面的粗糙度，细化应力层晶粒，获得均匀强化表面残余应力层的效果；并且相同激光能量密度的条件下，较大尺寸的光斑，使得残余应力和晶粒细化区域变得更深，获得了较大的均匀强化层，能更加有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，显著提高金属零件的疲劳寿命以及抗腐蚀和抗磨损能力。
【附图说明】
[0020]图1为一种方形光斑激光冲击获得均匀强化及抗腐蚀表面的装置示意图。
[0021]图2为网格状吸收层正面示意图；(a)第一层网格吸收层，(b)第二，三层网格吸收层；a，a/2为单个网格尺寸。
[0022]图3为工件表面激光冲击区域光斑示意图；A为第一层激光冲击起始点，B为第二层激光冲击起始点，C是第三点的激光冲击起点。
[0023]图4中分别为a，a/2光斑尺寸对靶材冲击时的残余应力层示意图；，分别为其残余应力层深度。
[0024]图5金相组织对比图，a，b分别为变光斑多层交错激光冲击和普通单次冲击金相图。
[0025]图中:1.激光器，2.激光器控制装置，3.方形激光束，4.流水约束层，5.网格状吸收层，6.工件，7.五轴工作台，8.数控系统，9.矩形激光冲击区域。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发作明详细说明。
[0027]本发明提供了一种变光斑多层交错激光冲击均匀强化叶片的方法，即使用相邻光斑紧挨不搭接的方式，进行多次不同光斑尺寸的层间交错冲击，以达到消除光斑边界效应，减少加工表面的粗糙度，细化表层晶粒，从而在工件表面及较大深度形成大面积均匀强化的效果，具体步骤为:
(I)将工件6待加工表面覆盖网格状吸收层5，并把工件6安装到五轴工作台7上。
[0028](2)通过激光器控制装置2设定激光器I的输出功率和光斑参数，使其光斑形状方形，方形光斑尺寸为a，相邻方形光斑紧挨不搭接。
[0029](3)通过数控系统8调节五轴工作台7使方形激光束3角点位置与网格状吸收层5角点的单个网格重合在A点，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致。
[0030](4)采用流水约束层4，打开激光器I，采用逐行加工的方法通过数控系统8控制五轴工作台7的移动和转动实现对工件6待加工表面进行第一层激光冲击强化。
[0031](5)通过激光器