[发明专利]一种激光冲击飞机涡轮叶片的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种激光冲击强化技术。

背景技术

喷丸是一种提高金属材料特性的工艺。传统喷丸，通常是用机械的方法，例如锤击或者射击，使得金属表面产生塑性变形，因此在工件的表面产生残余压应力。但机械喷丸会引起工件表面变得粗糙，使得工件抗疲劳、抗腐蚀性能不能得到良好的提高。然而用激光脉冲替代弹珠作为喷丸工具，能更好在金属表面起到冲击强化作用。通常在激光冲击强化中，在工件的表面黏贴上一种不透明的涂层如，黑漆或者铝箔贴在金属表面上，用来吸收激光能量从而产生等离子体，并在吸收层上面添加一层透明的约束层，一般是水流或者玻璃，用来提高冲击波峰值压力，延长等离子爆炸时间。激光冲击强化技术因具有高效、清洁、灵活、非接触等特点而被广泛用于航空航天、核电站等工业中。

飞机涡轮叶片是航空发动机重要的零部件之一，具有结构复杂、品种多、数量大、对发动机性能影响大、设计制造周期长等特点，飞机涡轮叶片一般承受较大的工作应力和较高的工作温度，且应力和温度的变化比较频繁和剧烈，此外还有腐蚀和磨损的问题，对其工作条件的要求非常苛刻。因此，需要提高飞机涡轮叶片表面性能，增加飞机涡轮叶片的服役寿命。而对飞机涡轮叶片的强化，国内外也进行了不少的研究，其中激光冲击强化作为一种新兴技术被广泛用于提高航空涡轮叶片的疲劳强度、耐点蚀性能。

专利申请号为201210571414.0的发明专利，发明名称为：一种以综合手段提高叶片疲劳强度的方法，提出了一种用激光冲击、喷丸处理以及振动光饰三种工艺相结合的方法来提高叶片的疲劳强度。该专利虽然提供了一个很好的强化叶片方法，但工艺较复杂，不能很好地应用于生产中，也没有很好地解决叶片曲面形状冲击以及叶片在冲击过程中出现的变形问题，对于激光冲击涡轮叶片的不同厚度区域没有提出一个很好的工艺参数。现有激光冲击强化飞机涡轮叶片所采用的激光工艺参数单一，未考虑飞机涡轮叶片的厚度变化，使得不能在飞机涡轮叶片表面形成良好的残余压应力层。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光冲击飞机涡轮叶片的方法和装置，为了解决飞机涡轮叶片曲面复杂难以进行激光冲击以及极易变形的问题，防止飞机涡轮叶片表面因为使用单一的激光工艺参数而导致强化效果差。

针对以上这些问题，本发明采用的技术方案如下：

一种激光冲击飞机涡轮叶片的方法，其特征在于，首先采用凹模与柔性垫片支撑飞机涡轮叶片背面，其次采用测厚装置测量飞机涡轮叶片各点对应的厚度，再次根据叶片材料特性、厚度和激光冲击强化参数的对应关系，确定飞机涡轮叶片各点所需的激光工艺参数，最后根据上述飞机涡轮叶片各点的激光工艺参数，实现对飞机涡轮叶片整个表面激光冲击强化，使飞机涡轮叶片不发生变形与破裂，获得均匀的残余压应力分布，具体步骤为：

步骤1，首先根据飞机涡轮叶片的叶背、叶盆型面结构，由五轴数控铣床在长方体上加工出与叶片叶背、叶盆型面相吻合的凹模；

步骤2，在凹模与飞机涡轮叶片之间放置有柔性垫片，用于缓冲激光冲击过程中飞机涡轮叶片与凹模碰撞；

步骤3，在飞机涡轮叶片待处理表面贴上柔性贴膜，作为激光能量的约束层与吸收层；

步骤4，用夹紧装置将激光待处理表面贴有柔性贴膜的飞机涡轮叶片、柔性垫片、凹模从上到下依次压紧，固定在三轴数控工作台上；

步骤5，根据飞机涡轮叶片材料特性确定激光冲击飞机涡轮叶片的工艺路线以及激光光斑半径、激光脉冲宽度、激光重复频率；

步骤6，以飞机涡轮叶片的叶根处最下角为原点，建立起飞机涡轮叶片表面的二维坐标系，以前缘方向为X轴方向作为横坐标，与X轴垂直方向为Y方向作为纵坐标，横坐标和纵坐标上刻度间距均为激光光斑半径；得到飞机涡轮叶片上激光冲击工艺路线随对应的每个冲击点位置(X,Y)，然后控制三轴数控移动工作台将飞机涡轮叶片移动到测厚装置的下方，对每个冲击点位置(X,Y)的叶片厚度进行测量，得到激光冲击工艺路线上每个激光冲击点对应的飞机涡轮叶片厚度Z，从而在飞机涡轮叶片表面每个激光冲击点形成一个三维坐标值(X,Y,Z)；

步骤7，激光能量E=能量因子K×厚度Z×光斑面积S，根据测出的飞机涡轮叶片每个冲击点的三维坐标值(X,Y,Z)和激光光斑半径计算获得飞机涡轮叶片每个冲击点需采用的激光能量；

步骤8，用计算机控制系统调节控制上述飞机涡轮叶片各点位置(X,Y,Z)对应的激光工艺参数(激光能量、激光光斑半径、激光脉冲宽度和激光重复频率)，最终实现对飞机涡轮叶片整个表面的激光冲击强化。