[发明专利]一种涡轮叶片主导边双面异步激光冲击强化方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及激光加工领域，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(laser shock peening/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。

发明内容

针对上述问题，本发明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2V_HEL<P<2.5V_HEL时，靶材内部可以获得最大的塑性变形。本发明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)V_HEL，V_HEL满足公式：式中，υ为泊松比。