[发明专利]一种以综合手段提高叶片疲劳强度的方法

说明书

技术领域

本发明属于表面工程技术和激光加工领域，涉及一种以综合手段提高叶片疲劳强度的方法，具体为利用激光冲击强化、振动光饰和喷丸的组合应用，进一步提高叶片的疲劳强度。

背景技术

航空发动机工作过程中，工作状态变化多，气动激振频率宽，容易造成发动机叶片高频振动，从而导致叶片发生高周疲劳断裂，常采用表面强化技术（如喷丸、激光冲击强化和振动光饰等）提高工件抗疲劳性能。

激光冲击强化和喷丸强化技术都是一种在材料表层产生压应力、细化晶粒，从而提高金属构件疲劳强度的方法。喷丸采用弹丸高速撞击构件表面，使表层金属发生塑性流动，改善表层金属的组织结构，使晶粒形状和方位发生变化，并产生残余拉应力。其缺点是残余应力影响深度较小，表面粗糙度难以控制。

激光冲击强化则利用短脉冲（ns）、高功率密度（>1GW/cm²）的激光辐照，诱导形成等离子体高压（>1GPa）冲击波，作用在工件表面并向内部传播，材料发生高应变率动态响应，引起微观组织变化，在较深的厚度内产生残余压应力。因此，激光冲击强化采用冲击波实现能量的传播，晶粒细化程度和影响层深度均优于喷丸，其强化效果较好。目前，激光冲击强化主要用于提高航空发动机关键构件关键部位的疲劳强度。

振动光饰是一种提高表面完整性的加工工艺，广泛应用于航空发动机叶片等构件的去毛刺和倒圆，可在一定程度上提高工件的表面完整性。它是将叶片和磨料装入同一容器中，通过容器的运动使叶片与磨料相互研磨，达到叶片表面整平或抛光的目的。在振动光饰过程中，存在类似抛光过程中的研磨，磨块对工件的冲击、划擦等作用，但是对表面硬化作用较小。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种以综合手段提高叶片疲劳强度的方法，根据叶片结构和受力特征，采用激光冲击强化、喷丸和振动光饰结合进行强化，相互弥补各自的不足，从而进一步提高叶片的疲劳强度。

技术方案

一种以综合手段提高叶片疲劳强度的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：以叶片中部的一阶振动节线为基准，以一阶振动节线为中心上下20~50mm的区域为激光冲击区域，紧邻该区域上下的为喷丸与激光冲击重叠区域，大于5mm，紧邻喷丸与激光冲击重叠区域的为喷丸冲击区域，大于5mm；

步骤2：根据材料特性确定喷丸工艺参数和喷丸强度，以二分之一的喷丸强度对8~12mm的喷丸冲击区域和8~12mm的喷丸与激光冲击重叠区域进行第一次喷丸冲击处理；

步骤3：根据材料特性确定激光冲击强化的参数：激光波长、脉宽和功率密度，对20~50mm的激光冲击区域和紧邻该区域上下的8~12mm喷丸与激光冲击重叠区域进行激光强化处理，激光强化处理时的光斑搭接率为70％；

步骤4：重复步骤2再次对进行喷丸冲击区域进行喷丸冲击处理；

步骤5：根据材料特性确定振动光饰工艺参数，对叶片整体进行振动光饰工艺处理，使得叶片疲劳强度得到有效提高。

当被处理的叶片属于未经抛光的叶片，当被处理的叶片属于未经抛光的叶片，将振动光饰工艺处理在步骤2第一次喷丸冲击处理之前进行，或在步骤2之前进行一次振动光饰工艺处理。

当每次喷丸冲击处理之后的表面粗糙度不符合要求时，在实施喷丸冲击处理之后进行一次振动光饰工艺处理。

有益效果

本发明提出的一种以综合手段提高叶片疲劳强度的方法，以叶片中部的一阶振动节线为中心的区域进行激光冲击处理，紧邻该区域进行喷丸与激光冲击重叠处理，然后为喷丸冲击处理，在整个处理过程中夹杂振动光饰工艺处理。本发明中由于采用了激光冲击强化、喷丸和振动光饰相结合进行强化的处理工艺，使得各个工艺处理之间相互弥补各自的不足，发挥各自的优势从而进一步提高叶片的疲劳强度。

本发明相比现有技术的突出效果是：

（1）可以弥补喷丸强化影响深度不够、激光冲击强化过渡区残余拉应力等问题；

（2）激光冲击和未冲击区域交界处的残余应力梯度变化明显，且存在平衡拉应力。通过对激光冲击区域附近的喷丸处理，可有效消除平衡拉应力，减缓冲击区边缘应力变化梯度；

（3）采用组合工艺对叶片进行处理后，残余应力场分布更加均匀，变化趋势平缓，叶片疲劳寿命显著提高。

附图说明

图1：叶片分区与强化组合示意图，