專利名稱：一種以綜合手段提高葉片疲勞強度的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于表面工程技術和激光加工領域，涉及一種以綜合手段提高葉片疲勞強度的方法，具體為利用激光沖擊強化、振動光飾和噴丸的組合應用，進一步提高葉片的疲勞強度。
背景技術：
航空發(fā)動機工作過程中，工作狀態(tài)變化多，氣動激振頻率寬，容易造成發(fā)動機葉片高頻振動，從而導致葉片發(fā)生高周疲勞斷裂，常采用表面強化技術(如噴丸、激光沖擊強化和振動光飾等)提高工件抗疲勞性能。
激光沖擊強化和噴丸強化技術都是一種在材料表層產(chǎn)生壓應力、細化晶粒，從而提高金屬構件疲勞強度的方法。噴丸采用彈丸高速撞擊構件表面，使表層金屬發(fā)生塑性流動，改善表層金屬的組織結構，使晶粒形狀和方位發(fā)生變化，并產(chǎn)生殘余拉應力。其缺點是殘余應力影響深度較小，表面粗糙度難以控制。激光沖擊強化則利用短脈沖(ns)、高功率密度(>lGW/cm2)的激光輻照，誘導形成等離子體高壓OlGPa)沖擊波，作用在工件表面并向內部傳播，材料發(fā)生高應變率動態(tài)響應，引起微觀組織變化，在較深的厚度內產(chǎn)生殘余壓應力。因此，激光沖擊強化采用沖擊波實現(xiàn)能量的傳播，晶粒細化程度和影響層深度均優(yōu)于噴丸，其強化效果較好。目前，激光沖擊強化主要用于提高航空發(fā)動機關鍵構件關鍵部位的疲勞強度。振動光飾是一種提高表面完整性的加工工藝，廣泛應用于航空發(fā)動機葉片等構件的去毛刺和倒圓，可在一定程度上提高工件的表面完整性。它是將葉片和磨料裝入同一容器中，通過容器的運動使葉片與磨料相互研磨，達到葉片表面整平或拋光的目的。在振動光飾過程中，存在類似拋光過程中的研磨，磨塊對工件的沖擊、劃擦等作用，但是對表面硬化作用較小。

發(fā)明內容
要解決的技術問題為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出一種以綜合手段提高葉片疲勞強度的方法，根據(jù)葉片結構和受力特征，采用激光沖擊強化、噴丸和振動光飾結合進行強化，相互彌補各自的不足，從而進一步提聞葉片的疲勞強度。技術方案一種以綜合手段提高葉片疲勞強度的方法，其特征在于步驟如下步驟1:以葉片中部的一階振動節(jié)線為基準，以一階振動節(jié)線為中心上下2(T50mm的區(qū)域為激光沖擊區(qū)域，緊鄰該區(qū)域上下的為噴丸與激光沖擊重疊區(qū)域，大于5mm，緊鄰噴丸與激光沖擊重疊區(qū)域的為噴丸沖擊區(qū)域，大于5mm ；步驟2 :根據(jù)材料特性確定噴丸工藝參數(shù)和噴丸強度，以二分之一的噴丸強度對8 12mm的噴丸沖擊區(qū)域和8 12mm的噴丸與激光沖擊重疊區(qū)域進行第一次噴丸沖擊處理；
步驟3 :根據(jù)材料特性確定激光沖擊強化的參數(shù)激光波長、脈寬和功率密度，對2(T50mm的激光沖擊區(qū)域和緊鄰該區(qū)域上下的8 12mm噴丸與激光沖擊重疊區(qū)域進行激光強化處理，激光強化處理時的光斑搭接率為70% ；步驟4 :重復步驟2再次對進行噴丸沖擊區(qū)域進行噴丸沖擊處理；步驟5 :根據(jù)材料特性確定振動光飾工藝參數(shù)，對葉片整體進行振動光飾工藝處理，使得葉片疲勞強度得到有效提高。當被處理的葉片屬于未經(jīng)拋光的葉片，當被處理的葉片屬于未經(jīng)拋光的葉片，將振動光飾工藝處理在步驟2第一次噴丸沖擊處理之前進行，或在步驟2之前進行一次振動光飾工藝處理。
當每次噴丸沖擊處理之后的表面粗糙度不符合要求時，在實施噴丸沖擊處理之后進行一次振動光飾工藝處理。有益效果本發(fā)明提出的一種以綜合手段提高葉片疲勞強度的方法，以葉片中部的一階振動節(jié)線為中心的區(qū)域進行激光沖擊處理，緊鄰該區(qū)域進行噴丸與激光沖擊重疊處理，然后為噴丸沖擊處理，在整個處理過程中夾雜振動光飾工藝處理。本發(fā)明中由于采用了激光沖擊強化、噴丸和振動光飾相結合進行強化的處理工藝，使得各個工藝處理之間相互彌補各自的不足，發(fā)揮各自的優(yōu)勢從而進一步提高葉片的疲勞強度。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術的突出效果是(I)可以彌補噴丸強化影響深度不夠、激光沖擊強化過渡區(qū)殘余拉應力等問題；(2)激光沖擊和未沖擊區(qū)域交界處的殘余應力梯度變化明顯，且存在平衡拉應力。通過對激光沖擊區(qū)域附近的噴丸處理，可有效消除平衡拉應力，減緩沖擊區(qū)邊緣應力變化梯度；(3)采用組合工藝對葉片進行處理后，殘余應力場分布更加均勻，變化趨勢平緩，葉片疲勞壽命顯著提高。


圖1 :葉片分區(qū)與強化組合示意圖，I為葉片，2為葉片進氣邊，3為葉片排氣邊，4為葉根，5為激光沖擊與噴丸重疊區(qū)，6為噴丸區(qū)，7為激光沖擊與噴丸重疊區(qū)，8為噴丸區(qū)，9為激光沖擊區(qū)域，10為一階振動節(jié)線，11為激光光斑，12為激光沖擊路徑，13為葉身。
具體實施例方式現(xiàn)結合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述本發(fā)明所述實施例中，采用某發(fā)動機不銹鋼葉片進行處理，具體實施步驟為步驟1:以葉片中部的、距離根部約40mm —階振動節(jié)線為基準，以一階振動節(jié)線中心上下20mm的區(qū)域為激光沖擊區(qū)域，緊鄰該區(qū)域上下的IOmm為噴丸與激光沖擊重疊區(qū)域，緊鄰噴丸與激光沖擊重疊區(qū)域的IOmm為噴丸沖擊區(qū)域；步驟2 :根據(jù)材料特性確定噴丸工藝參數(shù)為切割鋼絲丸，噴丸強度為O. 4A，以二分之一的噴丸強度O. 2A對IOmm的噴丸沖擊區(qū)域和IOmm的噴丸與激光沖擊重疊區(qū)域進行第一次噴丸沖擊處理；步驟3 :根據(jù)材料特性確定激光沖擊強化的參數(shù)激光波長為1064nm，脈寬為20ns，功率密度為4. 2GW/cm2，對20mm的激光沖擊區(qū)域和緊鄰該區(qū)域上下的IOmm噴丸與激光沖擊重疊區(qū)域進行激光強化處理，激光強化處理時的光斑搭接率為70% ;根所述脈寬功率密度的激光能量為6J，激光的光斑形狀為圓形，光斑的直徑為3mm ；步驟4 :重復步驟2再次對進行噴丸沖擊區(qū)域進行噴丸沖擊處理；步驟5 :根據(jù)材料特性確定振動光飾工藝參數(shù)為磨料采用樹脂顆粒，對葉片整體進行振動光飾工藝處理，時間為30分鐘，使得葉片疲勞強度得到有效提高。經(jīng)過上述方法對不銹鋼葉片進行了強化處理，在上噴丸與激光沖擊重疊區(qū)域5和下噴丸與激光沖擊重疊區(qū)域7形成過渡區(qū)，實現(xiàn)了葉片表面殘余應力分布的平滑過渡。 激光沖擊強化、噴丸和振動光飾處理的順序可根據(jù)工件實際情況機動調整。如工件表面粗糙度較大(未經(jīng)拋光的工件)，可將振動光飾處理提前到步驟3位置；如噴丸強度較高或材料硬度較低(如鋁合金)，噴丸后表面粗糙度較大，可采用全部噴丸-振動光飾-關鍵部位激光沖擊強化的工藝順序；對于缺口敏感材料和工件(如鈦合金葉片)，應保證振動光飾安排在最后一道工序，以保證葉片的表面完整性，減少出現(xiàn)缺口的可能。
權利要求
1.一種以綜合手段提高葉片疲勞強度的方法，其特征在于步驟如下 步驟1:以葉片中部的一階振動節(jié)線為基準，以一階振動節(jié)線為中心上下2(T50mm的區(qū)域為激光沖擊區(qū)域，緊鄰該區(qū)域上下的為噴丸與激光沖擊重疊區(qū)域，大于5mm，緊鄰噴丸與激光沖擊重疊區(qū)域的為噴丸沖擊區(qū)域，大于5mm ；步驟2 :根據(jù)材料特性確定噴丸工藝參數(shù)和噴丸強度，以二分之一的噴丸強度對8 12mm的噴丸沖擊區(qū)域和8 12mm的噴丸與激光沖擊重疊區(qū)域進行第一次噴丸沖擊處理；步驟3 :根據(jù)材料特性確定激光沖擊強化參數(shù)激光波長、脈寬和功率密度，對2(Γ50_的激光沖擊區(qū)域和緊鄰該區(qū)域上下的8 12mm噴丸與激光沖擊重疊區(qū)域進行激光強化處理，激光強化處理時的光斑搭接率為70% ； 步驟4 :重復步驟2再次對進行噴丸沖擊區(qū)域進行噴丸沖擊處理； 步驟5 :根據(jù)材料特性確定振動光飾工藝參數(shù)，對葉片整體進行振動光飾工藝處理，使得葉片疲勞強度得到有效提高。
2.根據(jù)權利要求1所述的以綜合手段提高葉片疲勞強度的方法，其特征在于當被處理的葉片屬于未經(jīng)拋光的葉片，將振動光飾工藝處理在步驟2第一次噴丸沖擊處理之前進行，或在步驟2之前進行一次振動光飾工藝處理。
3.根據(jù)權利要求1所述的以綜合手段提高葉片疲勞強度的方法，其特征在于:當每次噴丸沖擊處理之后的表面粗糙度不符合要求時，在實施噴丸沖擊處理之后進行一次振動光飾工藝處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以綜合手段提高葉片疲勞強度的方法，以葉片中部的一階振動節(jié)線為中心的區(qū)域進行激光沖擊處理，緊鄰該區(qū)域進行噴丸與激光沖擊重疊處理，然后為噴丸沖擊處理，在整個處理過程中夾雜振動光飾工藝處理。本發(fā)明中由于采用了激光沖擊強化、噴丸和振動光飾相結合進行強化的處理工藝，使得各個工藝處理之間相互彌補各自的不足，發(fā)揮各自的優(yōu)勢從而進一步提高葉片的疲勞強度。
文檔編號C21D10/00GK103014278SQ20121057141
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權日2012年12月25日
發(fā)明者何衛(wèi)鋒, 李應紅, 周留成, 聶祥樊, 李玉琴, 安志斌, 何光宇 申請人:中國人民解放軍空軍工程大學