【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于零件表面处理技术，涉及一种整体叶盘叶片进气边的表面强化方法。
技术介绍
1、压气机整体叶盘是航空发动机的关键转子部件，位于航空发动机前端，其气动性能和长寿命是航空发动机的关键技术指标。整体叶盘的叶片结构复杂，其中叶片进气边是最关键部位之一。叶片进气边的截面厚度在0.1～10mm范围变化，其轮廓尺寸对气动性能有重要影响。另外，进气边在服役时面临砂石、冰雹等外物高速撞击产生的缺口损伤，在交变载荷下易萌生疲劳裂纹并扩展。另外，进气边靠近盘体部分还面临高频振动引起的高周疲劳失效风险。上述两种疲劳失效模式极易引发叶片断裂失效，从而造成航空发动机服役寿命不足的严重问题。
2、目前，为了提高叶片进气边抗外物损伤疲劳性能，通常采用小强度的喷丸技术进行表面强化处理，但是由于喷丸产生的残余压应力层深度较浅，无法满足外物损伤缺口形成高应力集中条件下的抗疲劳需求，而如果增大喷丸强度，会导致叶片进气边轮廓尺寸超差的问题，严重影响气动性能。为解决这一问题，国内外采用高能激光冲击强化技术，引入更大深度的残余压应力层，以提高抗疲劳裂纹扩展能力。但是，对于高能激光冲击强化后，截面厚度小于1mm的进气边区域仍然会产生严重弯曲变形的问题，无法满足轮廓尺寸要求。因此，亟需新型表面强化技术，满足叶片进气边整体抗外物损伤疲劳与加工后轮廓尺寸控制的双重需求。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是：提出一种整体叶盘叶片进气边的表面强化方法，目的是针对截面厚度变化范围大的叶片进气边，解决现有喷丸或高能激光
2、本专利技术的技术方案是：一种整体叶盘叶片进气边的表面强化方法，整体叶盘叶片由盘体1和叶片2组成，叶片2的进气边3占整个叶片的1/2，将进气边3分为前端圆角3-1、中间截面区域3-2、近叶身截面区域3-3和危险截面区域3-4四个区域；前端圆角3-1位于进气边3的最下面，且截面厚度d不超过1mm；中间截面区域3-2位于前端圆角3-1的上面，截面厚度d为1<d≤3mm；近叶身截面3-3位于中间截面区域3-2的上面，截面厚度3<d≤10mm；危险截面区域3-4位于盘体1的-右边，前端圆角3-1的上部，中间截面区域3-2和近叶身截面3-3的左侧，截面厚度1<d≤10mm；上述区域的强化先后顺序与工艺方法为先对危险截面区域3-4进行高能激光冲击强化，然后对中间截面区域3-2进行超高频激光喷丸，再对中间截面区域3-2、近叶身截面3-3和危险截面区域3-4进行干喷丸强化，最后对前端圆角3-1进行双相流强化。
3、所述前端圆角3-1采用的双相流强化的工艺参数为agb9或agb15玻璃丸，喷丸强度为0.03n～0.20n，覆盖率为100％～200％。
4、所述中间截面区域3-2采用的超高频激光喷丸的工艺参数为激光功率密度为1.0～4.9gw/cm2，光斑直径为φ0.1～φ0.5mm，搭接率为30％～70％，加工频率为100～500hz，水束与光束同轴，水束直径为φ1～φ3mm。
5、所述干喷丸强化的工艺参数为azb150或azb100陶瓷丸，喷丸强度为0.10～0.30n，覆盖率为100％～200％。
6、所述高能激光冲击强化的工艺参数为激光功率密度为1.0～6.0gw/cm2，光斑直径为φ1.5～φ5mm，搭接率为30％～70％，加工频率为1～5hz，水约束层厚度为1～2mm。
7、对于中间截面区域3-2和危险截面区域3-4，采用双面异步冲击方式，先冲击叶盆面1次，再冲击叶背面1次，允许进行校形1次，光斑扫描方式为从盘体1往叶尖方面按“之”字型扫描，先扫描厚度较大区域，再扫描厚度较小区域。
8、冲击前，先获得叶片2的三维模型，再建立叶片2的johnson-cook本构模型，然后对冲击后的表面残余压应力分布进行数值仿真，从而确定前端圆角3-1、中间截面区域3-2、近叶身截面区域3-3和危险截面区域3-4三个区域的形状和面积大小。
9、前端圆角3-1、中间截面区域3-2、近叶身截面区域3-3和危险截面区域3-4四个区域的过渡区范围为0～1.0mm。
10、本专利技术的优点是：
11、首先，对危险截面区域3-4进行高能激光冲击强化，是由于危险截面区域3-4厚度最大(厚度4～10mm)，通过高能激光冲击强化获得深层的残余压应力场，深度可达到1～2mm；
12、然后，对中间截面区域3-2进行超高频激光喷丸，中间截面区域3-2的厚度约1～4mm，通过超高频激光喷丸，构建与厚度相匹配的残余压应力场(深度约0.25～0.5mm)；
13、其次，对中间截面区域3-2、近叶身截面3-3和危险截面区域3-4进行干喷丸强化，干喷丸产生的残余压应力场不超过0.25mm，通过干喷丸过程中弹丸的反复撞击，在高频激光喷丸、高能激光喷丸和未喷丸区域，获得均匀、高幅值的表面残余压应力值。
14、最后，对前端圆角3-1进行双相流强化，由于前端圆角3-1的厚度不超过1mm，高能和超高频激光喷丸产生的残余压应力场深度超过厚度的1/2，前端圆角极易发生严重变形，而干喷丸产生的表面粗糙度值过大(ra1.2～2.0μm)，严重影响气动性能。因此，采用双相流强化，通过水+弹丸双相流反复撞击表面，不仅从而获得均匀、高幅值的表面残余压应力值，还可以获得较低的表面粗糙度值(≤ra 0.6μm)。
15、值得一提的是，先对中间截面区域3-2进行强化，再对前端圆角3-1进行强化，两者的先后顺序不可调换，原因在于可在两个区域的界面获得更优的残余压应力场，反之会造成前端圆角3-1内部形成过大的残余拉应力分布。其次，先进行高能和超高频激光喷丸，再进行干喷丸和双相流强化，先后顺序不可调换，原因在于干喷丸和双相流强化的塑性变形程度更高，在激光喷丸后处理可获得均匀、高幅值的表面残余压应力分布，反之，会造成表面残余压应力分布的不均匀。
16、本专利技术的方法充分发挥双相流强化、干喷丸强化、超高频激光喷丸强化和高能激光冲击强化的特点，根据叶片进气边不同区域的截面厚度差异，采用差异化的强化工艺方法，构建不同深度的表层残余压应力层，不仅大大降低了叶片的变形程度，也充分发挥了表面强化技术的疲劳性能增益效果，满足了进气边抗外物损伤疲劳和危险截面抗高周疲劳的双重需求。通过数值仿真，对叶片表面的残余应力分布进行分析，为工艺实施提供参考，减小工艺试错次数和工作量。
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1.一种整体叶盘叶片进气边的表面强化方法，其特征在于：整体叶盘叶片由盘体(1)和叶片(2)组成，叶片(2)的进气边(3)占整个叶片的1/2，将进气边(3)分为前端圆角(3-1)、中间截面区域(3-2)、近叶身截面区域(3-3)和危险截面区域(3-4)四个区域；前端圆角(3-1)位于进气边(3)的下部，且截面厚度d不超过1mm；中间截面区域(3-2)位于前端圆角(3-1)的上面，截面厚度d为1<d≤3mm；近叶身截面(3-3)位于中间截面区域(3-2)的上部，截面厚度3<d≤10mm；危险截面区域(3-4)位于盘体(1)的-右侧，前端圆角(3-1)的上部，中间截面区域(3-2)和近叶身截面(3-3)的左侧，截面厚度1<d≤10mm；强化先后顺序与工艺方法为：先对危险截面区域(3-4)进行高能激光冲击强化，然后对中间截面区域(3-2)进行超高频激光喷丸，再对中间截面区域(3-2)、近叶身截面(3-3)和危险截面区域(3-4)进行干喷丸强化，最后对前端圆角(3-1)进行双相流强化。
2.根据权利要求1所述的一种整体叶盘叶片进气边的表面强化方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的一种整体叶盘叶片进气边的表面强化方法，其特征在于：所述中间截面区域(3-2)采用的超高频激光喷丸的工艺参数为激光功率密度为1.0～4.9GW/cm2，光斑直径为Φ0.1～Φ0.5mm，搭接率为30％～70％，加工频率为100～500Hz，水束与光束同轴，水束直径为Φ1～Φ3mm。
4.根据权利要求1所述的一种整体叶盘叶片进气边的表面强化方法，其特征在于：所述干喷丸强化的工艺参数为AZB150或AZB100陶瓷丸，喷丸强度为0.10～0.30N，覆盖率为100％～200％。
5.根据权利要求1所述的一种整体叶盘叶片进气边的表面强化方法，其特征在于：所述高能激光冲击强化的工艺参数为激光功率密度为1.0～6.0GW/cm2，光斑直径为Φ1.5～Φ5mm，搭接率为30％～70％，加工频率为1～5Hz，水约束层厚度为1～2mm。
6.根据权利要求1所述的一种整体叶盘叶片进气边的表面强化方法，其特征在于：对于中间截面区域(3-2)和危险截面区域(3-4)，采用双面异步冲击方式，先冲击叶盆面1次，再冲击叶背面1次，允许进行校形1次，光斑扫描方式为从盘体1往叶尖方面按“之”字型扫描，先扫描厚度较大区域，再扫描厚度较小区域。
7.根据权利要求1所述的一种整体叶盘叶片进气边的表面强化方法，其特征在于：冲击前，先获得叶片(2)的三维模型，再建立叶片(2)的Johnson-Cook本构模型，然后对冲击后的表面残余压应力分布进行数值仿真，从而确定前端圆角(3-1)、中间截面区域(3-2)、近叶身截面区域(3-3)和危险截面区域(3-4)三个区域的形状和面积大小。
8.根据权利要求1所述的一种整体叶盘叶片进气边的表面强化方法，其特征在于：前端圆角(3-1)、中间截面区域(3-2)、近叶身截面区域(3-3)和危险截面区域(3-4)四个区域的过渡区范围为0～1.0mm。
...【技术特征摘要】
1.一种整体叶盘叶片进气边的表面强化方法，其特征在于：整体叶盘叶片由盘体(1)和叶片(2)组成，叶片(2)的进气边(3)占整个叶片的1/2，将进气边(3)分为前端圆角(3-1)、中间截面区域(3-2)、近叶身截面区域(3-3)和危险截面区域(3-4)四个区域；前端圆角(3-1)位于进气边(3)的下部，且截面厚度d不超过1mm；中间截面区域(3-2)位于前端圆角(3-1)的上面，截面厚度d为1<d≤3mm；近叶身截面(3-3)位于中间截面区域(3-2)的上部，截面厚度3<d≤10mm；危险截面区域(3-4)位于盘体(1)的-右侧，前端圆角(3-1)的上部，中间截面区域(3-2)和近叶身截面(3-3)的左侧，截面厚度1<d≤10mm；强化先后顺序与工艺方法为：先对危险截面区域(3-4)进行高能激光冲击强化，然后对中间截面区域(3-2)进行超高频激光喷丸，再对中间截面区域(3-2)、近叶身截面(3-3)和危险截面区域(3-4)进行干喷丸强化，最后对前端圆角(3-1)进行双相流强化。
2.根据权利要求1所述的一种整体叶盘叶片进气边的表面强化方法，其特征在于：所述前端圆角(3-1)采用的双相流强化的工艺参数为agb9或agb15玻璃丸，喷丸强度为0.03n～0.20n，覆盖率为100％～200％。
3.根据权利要求1所述的一种整体叶盘叶片进气边的表面强化方法，其特征在于：所述中间截面区域(3-2)采用的超高频激光喷丸的工艺参数为激光功率密度为1.0～4.9gw/cm2，光斑直径为φ0.1～φ0.5mm，搭接率为30％～70％，加工频率为100～...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗学昆，田凯，王琨，王一鸣，王强，王欣，许春玲，宋颖刚，宇波，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：
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