[发明专利]一种变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法

说明书

本发明公开一种变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法，本发明技术方案通过以叶片结构特征为依据设置纳秒脉冲激光的脉冲宽度，控制诱导冲击波在叶片内的穿透深度，进而控制生成残余应力的分布深度，最终实现叶片不同区域的残余应力分布与结构特征的一致性匹配，达到强化和保形的双重目的。本发明可实现叶缘(进排气边)全厚度残余压应力分布，消除叶根应力集中而无宏观变形，适用于航空涡扇发动机风扇、各级压气机钛合金叶片的激光喷丸强化处理。

技术领域

本发明涉及激光喷丸表面强化技术领域，特别涉及一种变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法。

背景技术

激光喷丸强化(Laser Shock Peening,LSP)是一种高效的表面强化技术，利用激光冲击波的力学效应，在金属材料表层形成高幅值残余压应力和微观组织变化，通过引入残余压力抑制裂纹萌生和扩展进而提升部件的疲劳强度和寿命，其中美国航空发动机的叶片制造过程中已广泛采用该技术。

航空发动机的风扇或者压气机叶片尺寸跨度较大且壁薄(长度为20～800mm，壁厚为0.5～2mm)，并且具有复杂的曲面外形和变化的横截面，是典型的弱刚性薄壁类构件。在进行激光喷丸强化时由于引入高幅值残余应力面临以下共性基础问题：喷丸导致的残余压应力场和叶片尺寸稳定性问题以及变截面结构厚度不同的强化效果一致性问题。

为解决上述问题，中国专利CN105002349A“一种变光斑多层交错激光冲击均匀强化叶片的方法”使用相邻光斑紧挨不搭接的方式，进行多次变光斑的层间交错冲击，其中第一层大光斑主要用于激光冲击产生较深残余应力层，而第二层和第三层交错冲击用于消除光斑边界效应，减少加工表面的粗糙度。但是该方法只是改变光斑尺寸和搭接率，并没有调控影响残余应力分布特性的激光能量和脉冲宽度，因此该方法仅能在特定的层深范围内均匀化激光喷丸的应力分布，不能保证形状精度。

中国专利CN103205545 A“一种激光冲击处理发动机叶片的组合方法及装置”通过调节聚焦镜和叶片之间距离以调节光斑大小，实现功率密度调节，使叶片边缘表层残余压应力和未处理区域实现平缓过渡。该方法在本质上改变激光喷丸的功率密度，因此只能调控生成残余应力幅值，不能控制应力分布深度，也不能控制外形精度，而且功率密度与光斑尺寸存在约束关系，对薄壁叶片采用大光斑会导致光斑搭接边界效应，影响尺寸精度和表面质量。

中国专利CN104862468 A“基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法”采用渐变搭接率冲击叶片根部使残余应力场的分布变化趋于平缓，采用激光双面冲击方式，避免单面激光冲击造成叶片的变形与破坏，同时冲击使叶片正反两面受力相同。但该方法只进行了搭接率参数的优化，在本质上对于影响残余应力特性的激光能量和脉冲宽度参数都未设置，因此对应力分布幅值和深度难以精确调控，不具备叶片强化与保形工艺要求。

因此使激光喷丸表面强化过程中的叶片激光喷丸残余应力场和结构特性的一致性匹配，以及解决尺寸精度控制和残余应力特性控制的技术问题具有极其重要的意义。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法，旨在提高叶片激光喷丸残余应力场和结构特性的一致性匹配，解决尺寸精度控制以及残余应力特性控制的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法，该方法以叶片结构特征为依据设置纳秒脉冲激光脉冲宽度，控制诱导冲击波在叶片内的穿透深度，进而控制生成残余应力的分布深度，实现叶片不同区域的残余应力分布与结构特征相匹配。

优选地，本发明变脉冲宽度可控残余应力的叶片激光喷丸强化方法，包括以下步骤：

S1：根据叶缘壁厚薄刚性弱设置短脉冲宽度，以浅深度残余压应力层和多层喷丸叠加实现全厚度压应力分布；