采用低能激光的激光冲击处理制造技术

一种激光冲击硬化硬质金属零件的方法，其以３－７焦耳的低能激光束在零件表面上重复地发射激光脉冲，该激光脉冲以直径１毫米的激光小点为基础，以便使该表面上的材料汽化，并形成从该表面伸入零件的具有深度压缩残余应力的区域。使一层水幕流过该表面，在该水幕上发射激光束，同时使零件移动，直至该表面由激光束圆点完全覆盖至少一次为止。该表面可以涂覆有适于产生等离子体的诸如油漆的烧蚀涂层或者该表面不被涂覆而零件的金属用来产生等离子体。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及下列共同待决的美国专利申请中的相关主题“防裂激光冲击硬化”(Ripstop Laser Shock Peening)；08/362 362，“在飞行件上的激光冲击硬化”(on the Fly Laser Shock Peening),1994,12,22提交；和下列美国专利5591009，“激光冲击硬化的燃气轮机风扇叶片叶缘”(Laser Shock Peened Gas Turbine Engine FanBlade Adges)；5569018，“防止或者牵制裂纹的技术”(techniqueto prevent or divert cracks)；5531570，“激光冲击硬化的燃气轮机压缩机叶片叶缘的变形控制”(Distortion Control for Laser ShockPeened Gas Turbine Engine Compressor Blade Edges)；5492447，“涡轮机的激光冲击硬化的转子部件”(Laser Shock Peened RotorComponents for Turbomachinery)，所有这些都转让给了本受让人。本专利技术涉及燃气轮机的坚硬的金属零件的激光冲击处理，特别是采用低能激光和小的激光点来对诸如在风扇和压缩机叶片上见到的诸如翼型的前缘和后缘的物体的一些部分进行激光冲击处理，以便形成具有由激光冲击处理产生的局部压缩残余应力的激光冲击处理区域。燃气轮机，特别是飞机燃气轮机转子在很高的转速下运行，其可以在叶片上产生很高的拉伸和振动应力场而使风扇叶片易于遭受外界物体的损坏(FOD)。振动也可以由叶片尾流和进气压力变形以及其它气动现象引起。该外界物体损坏将在风扇叶片翼型的前缘和后缘上造成裂痕和裂缝从而产生应力集中。这些裂痕和裂缝成为高应力集中源或者应力上升的原因，并且由于振动应力的高循环疲劳(HCF)将严重地降低这些叶片的寿命。这些和其它的运行现象将导致诸如沿着翼型边缘的物体部分的裂痕的开始和材料的破坏。因此，非常希望设计和构成能够较好地抵抗低和高循环疲劳并且能够比目前的零件更能防止裂纹的长寿命的风扇和压缩机叶片以及其它硬质金属零件。上述的那些美国专利申请是指向此目的的。它们提出，要通过至少在风扇叶片的前缘和/或后缘表面的径向延伸部分上进行激光冲击处理来为风扇叶片的翼型提供深度压缩的残余应力区域。由本专利技术的激光冲击处理给出的深度压缩残余应力的区域不要与含有局部范围的压缩残余应力的工件的表面层区域相混淆，该局部范围的压缩残余应力是通过采用激光束使工件局部加热和硬化的硬化作业而产生的，例如在题目为“用于矫直不正工件的方法和装置”(Method and apparatus for truing or straightening out of true workpieces)的美国专利No.5235838中所公开的。该现有技术提出，采用来自大能量的脉冲激光的和大约1厘米的大的激光光点直径的多个辐射脉冲来在工件表面上产生冲击波，与上述的题目为“改变材料特性”(Altering Material Properties)专利号为No.3850698；题目为“激光冲击处理”(Laser shock processing)专利号为4401477；和题目为“材料特性”(Material Properties)专利号为No.5131957的专利申请和美国专利相似。按照在本领域中所理解的和在这里所用的激光冲击硬化是指，利用来自激光束源的激光束来在一部分表面上产生非常强的局部压缩力。激光硬化已经被用来在工件的外表面上产生压缩应力保护层，已知其可大大地增加工件对疲劳破坏的抗力，如在题目为“激光硬化系统和方法”(Laser Peening System and Method)的美国专利No.4937421中所述的。激光冲击硬化处理的生产费用是非常令人关心的方面，因为开办和运行费用是非常昂贵的。在上述的专利08/362362中公开的“在飞行件上”的激光冲击硬化处理意欲产生与本专利技术一样的用于激光冲击硬化的节省费用的方法。但是，该现有技术提出采用1厘米的和更大直径的大的激光光点和大能量的激光。制造商在不断地寻找着可以减少该工艺的时间，费用和复杂性的方法，而本专利技术正是为此而提出的。本专利技术方法包括采用3-10焦耳等级的低能激光束来使由诸如钛合金的坚固硬质金属制成的零件的一部分的表面上的材料汽化。以直径1毫米等级的小激光点为基础的激光脉冲由在该表面上的激光束形成，具有由激光冲击硬化工艺给出的深度压缩残余应力的区域从激光冲击硬化表面伸入零件内部。该方法还包括使一层水幕流过该表面，在该水幕上发射激光，同时移动零件，直至激光冲击处理表面完全由激光束点覆盖至少一次为止。该表面最好由油漆覆盖，该油漆用作烧蚀材料，用来产生等离子体，或者该表面不被油漆涂覆，而零件的金属用来产生等离子体。本专利技术方法最好是作为一个“在飞行件上”的方法来实施，以便通过连续地移动燃气涡轮发动机金属零件同时连续地在该零件的一部分上发射静止激光束而激光束在较为恒定的时间间隔之间重复地脉动来使燃气涡轮发动机零件激光冲击硬化。该方法还包括使一层水幕流过该表面，在该水幕上发射激光，同时移动零件，直至激光冲击处理表面完全由激光束点覆盖至少一次为止。零件可以线性地移动，以便产生至少一排重叠的激光束圆点，这些激光束圆点具有大致等距离隔开的线性对齐的中心点，另外可以这样移动零件和发射激光，以便产生一排以上的重叠的激光束圆点，而这些激光束圆点具有大致等距离隔开的线性对齐的中心点，其中相邻排的圆点重叠。可以这样发射激光束和移动零件，使得相邻排的相邻圆点的中心点在沿着一条在其上中心点线性对齐的线的方向上彼此也偏移一个大致相等的距离。在本专利技术的另一个实施例中，被涂覆油漆的激光冲击处理表面是采用一组序列被激光冲击硬化的，在该每个序列中，表面被涂覆，然后零件连续地被移动，同时在表面上连续地发射静止激光束，使得相邻的激光冲击硬化圆点撞击在该组序列的不同序列上。在一个更为具体的实施例中，这样发射激光和移动零件，使得相邻排的相邻圆点的中心点沿着一条在其上中心点线性对齐的线的方向彼此偏移大致相等的距离。在一个更为具体的实施例中，利用一组以上的序列使每个圆点撞击一次以上。本专利技术的一个更为具体的实施例是将上述的方法用在燃气涡轮发动机的叶片上，例如用在风扇叶片的翼面上或者具有带有前缘和后缘的翼面的压缩机的零件上。本专利技术可以沿着边缘的一部分采用或者沿着翼面的整个边缘采用，使得激光冲击硬化表面至少是沿着边缘的一部分和自边缘的弦向的一部分径向延伸的至少边缘之一的一部分。在由本专利技术提供的优点中一个优点是，它是激光冲击硬化燃气涡轮发动机零件特别是叶片的表面的一种快速而经济的方法，以便零件可在高拉伸和振动应力场中工作，其可更好地承受由于在风扇叶片的前缘和后缘上的刻痕和裂纹而产生的疲劳破坏和比惯用结构的风扇叶片具有增加的寿命。与现有技术中提出的那些相比较，本专利技术的激光冲击硬化处理生产线由于资金支出少可以较为经济地建立起来，并且由于本专利技术的方法采用低能激光，所以该生产线研制，设计和建造都不太复杂。本专利技术的另一个优点是，风扇和压缩机叶片可以以经济的方法制造本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光冲击硬化硬质金属物体的方法，所述的方法包括下列步骤： 采用能量在３－１０焦耳之间的激光束使在一部分物体的激光冲击处理表面上的材料汽化， 激光束以以激光束光点为基础的脉冲来发射，激光束光点具有由在该表面上的激光束形成的大约１毫米的直径，以便形成从激光冲击处理表面伸入物体的具有深度压缩残余应力的区域，和 在该表面上流过一层水幕，激光束在该水幕上发射。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：S曼纳瓦，TJ罗克斯特罗，JG克莱，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]