一种涡轮叶片主导边双面异步激光冲击强化方法技术

本发明专利技术涉及了一种涡轮叶片主导边双面异步激光冲击强化方法。采用相同波长、脉宽、光斑直径、脉冲能量的两束激光束异步对涡轮叶片主导边进行双面激光冲击强化，即用一束激光束沿叶片主导边正面进行激光冲击强化，延迟一段时间在相同位置采用另一束相同参数的激光束在背面进行激光冲击强化，叶片主导边正面和背面激光冲击强化的起始点和冲击路径相同；对于主导边同一位置正面和背面两束激光的时间差小于正面冲击波传播到叶片背面所需的时间且正面激光束在先，依照这种双面异步冲击方法连续对叶片进行激光冲击强化，直至叶片主导边正面和背面全部冲击区域冲击完成。

Double side asynchronous laser impact strengthening method for leading side of turbine blade

The invention relates to a two side asynchronous laser impact strengthening method of a leading side of a turbine blade. Using laser beams by the same wavelength, asynchronous pulse width, beam diameter, pulse energy of turbine blade leading edge of double-sided laser peening with a laser beam along the blade leading edge front of laser shock peening, laser beam delay for a period of time by a bunch of the same parameters in the same position on the back of the laser shock to strengthen the leading edge of the blade, the front and back of the starting point of the laser shock strengthening and the impact of the same path leading edge; for the same position the front and back of the two laser beams time is less than the positive shock wave propagation to the back of the blade the time required for the laser beam and the positive first, according to the double impact of the blades are asynchronous method of continuous laser shock until the blade leading edge, front and back completed area of impact shock.

【技术实现步骤摘要】
一种涡轮叶片主导边双面异步激光冲击强化方法
本专利技术涉及激光加工领域，特指一种利用设计的异步双面激光冲击强化方法来实现更好的涡轮叶片主导边强化效果。技术背景激光冲击强化(lasershockpeening/processing,LSP)是一种新型的表面强化技术，具有“三高一快”的特点：高能(几十J)、高压(GPa-TPa)、高应变率(107S-1)和超快(ns)。其主要作用过程是高能、超快的激光穿过透明的约束层辐照在贴有吸收层的金属材料表面，吸收层吸收激光能量迅速形成爆炸性气化蒸发，产生高温高压的等离子体，等离子体吸收激光能量形成向外扩张的冲击波，由于外层约束层的约束，高压冲击波向材料内部传播，利用冲击波的力效应在材料表层发生塑性变形，使得表层材料微观组织发生变化，同时在冲击区域引入残余压应力，提高材料的强度、硬度、耐磨性和耐应力腐蚀等性能，尤其能有效改善材料的抗疲劳断裂性能，提高材料的疲劳寿命。对涡轮叶片主导边进行激光冲击强化时，由于叶片主导边较薄，激光能量较大时，诱导产生的冲击波压力过大容易使叶片主导边产生宏观变形，导致叶片破坏，激光能量较小时，诱导产生的冲击波压力过小则不能在叶片内部形成稳定的、最大的塑性变形，强化效果不佳。因此，如何在叶片内部产生最大的塑性变形，获得最好的强化效果同时又不产生宏观变形导致叶片破坏成为一个亟需解决的问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种涡轮叶片主导边双面异步激光冲击强化方法。采用相同波长、脉宽、光斑直径、脉冲能量的两束激光束异步对涡轮叶片主导边进行双面激光冲击强化，即用一束激光束沿叶片主导边正面进行激光冲击强化，延迟一段时间在相同位置采用另一束相同参数的激光束在背面进行激光冲击强化，叶片主导边正面和背面激光冲击强化的起始点和冲击路径相同；对于主导边同一位置正面和背面两束激光的时间差小于正面冲击波传播到叶片背面所需时间且正面激光束在先，依照这种双面异步冲击方法连续对叶片进行激光冲击强化，直至叶片主导边正面和背面全部冲击区域冲击完成。研究表明，当峰值压力P满足2VHEL<P<2.5VHEL时，靶材内部可以获得最大的塑性变形。本专利技术中叶片主导边正面激光束主要用来产生塑性变形，延迟的背面激光束主要用来抵消产生宏观变形的冲击波压力，从而获得最大的塑性变形，同时，避免了叶片主导边正面由于冲击波压力太大而造成叶片主导边产生宏观变形。具体实施步骤如下：(1)根据涡轮叶片的材料和厚度确定其主导边双面异步激光冲击强化的延迟时间t，t0为材料内部产生的应力波传播到材料底部的时间，由t0＝L/C0，计算得出，式中，L为叶片厚度，C0为应力波的波速，E为弹性模量，υ为泊松比，ρ为材料密度，涡轮叶片主导边双面异步激光冲击强化的延迟时间t取为0<t<t0，从而使得激光在正面和背面诱导的冲击波在叶片内部距叶片正面处相遇，叶片材料在动态载荷下的屈服强度为要发生永久的塑性变形，激光冲击强化所产生的峰值压力必须大于材料的Hugoniot弹性极限(HEL)VHEL，VHEL满足公式：式中，υ为泊松比。(2)用激光束对涡轮叶片主导边正面进行激光冲击强化，激光冲击强化加工参数为：激光脉冲能量为1-50J、激光脉宽为10-40ns、重复频率为0.5-10Hz；光斑直径D＝1-6mm，激光冲击强化峰值压力由得出，其中，α为内能的分配系数，取为0.1，I0为激光功率密度，E为激光能量(J)，d为光斑直径(cm)，τ为激光脉宽(ns)，Z为折合声阻抗，Ztarget为靶材声阻抗，Zoverlay为约束层声阻抗，满足激光光强服从高斯分布,压力脉冲的时空分布情况用如下准高斯公式表示：P(x,y,t)＝Pexp[-(x2+y2)/2R2]，式中，x，y为表面坐标，R为光斑半径；研究表明，当峰值压力P满足2VHEL<P<2.5VHEL时，工件可以获得最大的塑性变形，为获得更好的激光冲击强化效果，使冲击波峰值压力满足2VHEL<P<2.5VHEL，且光斑边缘的压力值P(R)>VHEL，从而使叶片获得最大的塑性变形，激光冲击强化的横向、纵向搭接率为50％。(3)叶片主导边正面激光冲击强化的起始点冲击后开始计时，延迟t秒后，第二束激光束开始对叶片主导边背面相同位置进行激光冲击强化；叶片主导边正面和背面激光冲击强化所用激光束的参数相同，叶片主导边正面和背面激光冲击强化起始点和冲击路径相同，横向、纵向搭接率均为50％。(4)依照这种双面异步冲击方法连续对叶片主导边进行激光冲击强化，直至叶片主导边正面和背面全部冲击区域冲击完成，整个激光冲击强化过程结束。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为涡轮叶片主导边双面异步激光冲击强化示意图。图2为飞机涡轮叶片平面图。图3为涡轮叶片主导边双面异步激光冲击强化的波形示意图(图中激光束2在激光束1发出后延迟t秒发出，激光束1诱导的冲击波先在叶片主导边内部传播，然后与激光束2诱导的冲击波在叶片主导边内部距叶片正面处相遇，其中L为叶片厚度，C0为应力波的波速，方向相反的冲击波相互抵消)。表1为不同实验参数下材料残余应力的对比图中各标号的含义如下：图1：1、激光束；2、喷水系统；3、第二束激光束；4、叶片。图2：4A、叶片正面；4B、叶片背面。图3：1、激光束；3、第二束激光束；4、叶片；5、吸收层；6、约束层；7、等离子体冲击波。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作详细说明，但本专利技术不应仅限于实施例。本实施例所采用的涡轮叶片双面异步双面激光冲击强化方法如图1所示，试样材料为TC4。一种涡轮叶片主导边双面异步激光冲击强化方法，其具体步骤为：(1)选取TC4为实施例试样，叶片厚度为1mm，TC4的弹性模量为110GPa，泊松比为0.34，密度为4.5g·cm-3，由公式计算得，C0＝6132m/s，代入公式t0＝L/C0，得t0＝16ns，式中，L为叶片厚度，C0为应力波的波速，E为弹性模量，υ为泊松比，ρ为材料密度，取延迟时间t＝8ns，则激光在正面和背面诱导的冲击波在叶片内部距叶片正面3L/4处相遇，TC4泊松比为υ＝0.34，动态屈服强度为1.43GPa，得TC4的Hugoniot弹性极限：(2)用激光束1对涡轮叶片主导边正面进行激光冲击强化，激光冲击强化加工参数为：激光脉冲能量为7J、激光脉宽为10ns、重复频率为1Hz；光斑直径d＝3mm；激光冲击强化峰值功率由下式得出：其中，代入，E＝10J，d＝3mm，τ＝10ns，α取0.1，Zwater＝1.14×106g·cm-2·s-1，Ztarget＝2.75×106g·cm-2·s-1，解得P的值为7.02GPa，满足5.9GPa＝2VHEL<P<2.5VHEL＝7.375GPa。光斑边缘的冲击波压力P＝7.02×exp(-R2/2R2)＝4.26GPa＞2.95GPa＝VHEL，满足条件，激光冲击强化的横向、纵向搭接率为50％。(3)叶片主导边正面激光冲击强化的起始点冲击后开始计时，延迟10ns后，第二束激光束3开始对叶片主导边背面相同位置进行激光冲击强化；叶片主导边正面和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种涡轮叶片主导边双面异步激光冲击强化方法，其特征在于：采用相同波长、脉宽、光斑直径、脉冲能量的两束激光束异步对涡轮叶片主导边进行双面激光冲击强化，即用一束激光束沿叶片主导边正面进行激光冲击强化，延迟一段时间t后在相同位置采用另一束相同参数的激光束在背面进行激光冲击强化，叶片主导边正面和背面激光冲击强化的起始点和冲击路径相同；对于主导边同一位置正面和背面两束激光的时间差小于正面冲击波传播到叶片背面所需的时间且正面激光束在先，依照这种双面异步冲击方法连续对叶片进行激光冲击强化，直至叶片主导边正面和背面全部冲击区域冲击完成。

【技术特征摘要】
1.一种涡轮叶片主导边双面异步激光冲击强化方法，其特征在于：采用相同波长、脉宽、光斑直径、脉冲能量的两束激光束异步对涡轮叶片主导边进行双面激光冲击强化，即用一束激光束沿叶片主导边正面进行激光冲击强化，延迟一段时间t后在相同位置采用另一束相同参数的激光束在背面进行激光冲击强化，叶片主导边正面和背面激光冲击强化的起始点和冲击路径相同；对于主导边同一位置正面和背面两束激光的时间差小于正面冲击波传播到叶片背面所需的时间且正面激光束在先，依照这种双面异步冲击方法连续对叶片进行激光冲击强化，直至叶片主导边正面和背面全部冲击区域冲击完成。2.如权利要求1所述的一种涡轮叶片主导边双面异步激光冲击强化方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)根据涡轮叶片的材料和厚度确定其主导边双面异步激光冲击强化的延迟时间t；(2)用激光束对涡轮叶片主导边正面进行激光冲击强化；(3)叶片主导边正面激光冲击强化的起始点冲击后开始计时，延迟t秒后，第二束激光束开始对叶片主导边背面相同位置进行激光冲击强化；(4)依照这种双面异步冲击方法连续对叶片主导边进行激光冲击强化，直至叶片主导边正面和背面全部冲击区域冲击完成，整个激光冲击强化过程结束。3.如权利要求2所述的一种涡轮叶片主导边双面异步激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(1)中，涡轮叶片主导边双面异步激光冲击强化的延迟时间t取为0<t<t0，从而使得激光在正面和背面诱导的冲击波在叶片内部距叶片正面处相遇，其中L为叶片厚度，C0为应力波的波速；t0为材料内部产生的应力波传播到材料底部的时间，t0＝L/C0，式中E为弹性模量，υ为泊松比，ρ为涡轮叶片材料密度。4.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁金忠，段海峰，卢海飞，罗开玉，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32