[發(fā)明專利]一種鈦合金薄葉片變脈寬激光沖擊強化工藝方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910887385.0
• 申請日: 2019-09-19
• 公開（公告）號: CN110438426A
• 公開（公告）日: 2019-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周留成;馮曉泰;時小松;何衛(wèi)鋒;潘鑫磊
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍空軍工程大學(xué)
• 主分類號: C22F3/00
• 分類號: C22F3/00
• 代理公司: 北京國坤專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11491
• 代理人: 趙紅霞

本發(fā)明涉及葉片激光強化技術(shù)領(lǐng)域，且公開了一種鈦合金薄葉片變脈寬激光沖擊強化工藝方法，根據(jù)鈦合金薄葉片的不同厚度設(shè)計不同的脈寬、能量對鈦合金薄葉片進行分區(qū)激光沖擊強化，創(chuàng)新性好，克服現(xiàn)有薄葉片單一脈寬激光沖擊而導(dǎo)致邊緣區(qū)變形嚴(yán)重，應(yīng)力分布不均勻的缺點，采用變脈寬納秒脈沖激光對鈦合金薄葉片側(cè)邊進行沖擊強化；變脈寬激光器是工藝實現(xiàn)的設(shè)備基礎(chǔ)，采用單模光纖種子光放大的技術(shù)路線，脈沖寬度5?50ns任意可調(diào)，并可以補償后續(xù)放大系統(tǒng)的增益飽和效應(yīng)，工藝簡單，只需要對薄葉片采用不同脈寬、不同能量的激光參數(shù)處理就可，操作簡單，可行性高，鈦合金薄葉片的強化效果好，應(yīng)用前景好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及葉片激光強化技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種鈦合金薄葉片變脈寬激光沖擊強化工藝方法。

背景技術(shù)

航空發(fā)動機向輕量化和整體化發(fā)展，其壓氣機/風(fēng)扇廣泛采用鈦合金薄葉片，使用過程在離心力、空氣激振力等交變載荷作用下，極易發(fā)生高周振動疲勞斷裂，嚴(yán)重影響飛行安全。

激光沖擊強化是提高航空發(fā)動機部件高周疲勞性能的重要技術(shù)手段，基本原理是利用短脈寬(ns量級)、高功率(>1GW/cm2)激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波(>1GPa)的力學(xué)效應(yīng)，引起金屬材料超高應(yīng)變率(>106/s)塑性變形，形成殘余壓應(yīng)力和微觀組織變化，從而提高材料疲勞性能，其原理見說明書附圖1，但針對鈦合金薄葉片激光沖擊強化，存在典型“薄”難題，這是由于激光沖擊強化的能量載體是沖擊波，沖擊波在向材料內(nèi)部傳播引發(fā)塑性變形，形成殘余壓應(yīng)力場和組織變化，沖擊波傳播規(guī)律直接決定著殘余應(yīng)力場的分布特征，但鈦合金葉片尺寸較薄，其邊緣厚度不足1mm(說明書附圖2)，且葉片厚度隨著葉邊向葉身過渡逐漸增加(說明書附圖3)，由于高能激光誘導(dǎo)的沖擊波傳播深度較深，會在葉片背部發(fā)生強烈反射、耦合(說明書附圖4)，進而在葉片內(nèi)部形成復(fù)雜的波系，導(dǎo)致難以形成均勻的殘余壓應(yīng)力場，且使薄葉片產(chǎn)生宏觀變形，不滿足設(shè)計使用要求。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述背景技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種鈦合金薄葉片變脈寬激光沖擊強化工藝方法，具備創(chuàng)新性好、工藝簡單、強化效果好和應(yīng)用前景好等優(yōu)點，解決了背景技術(shù)提出的問題。

本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種鈦合金薄葉片變脈寬激光沖擊強化工藝方法，根據(jù)鈦合金薄葉片的不同厚度設(shè)計不同的脈寬、能量對鈦合金薄葉片進行分區(qū)激光沖擊強化。

優(yōu)選的，所述鈦合金薄葉片分區(qū)激光沖擊強化具體步驟如下：

(a)驗證鈦合金薄葉片變脈寬變能量沖擊技術(shù)方案可行性；

(b)對鈦合金薄葉片進行3D掃描，建立有限元模型；

(c)進行鈦合金薄葉片變脈寬變能量激光沖擊強化數(shù)值仿真；

(d)依據(jù)葉邊厚度設(shè)計進行分區(qū)，開展分區(qū)激光沖擊強化處理；

(e)對強化后的鈦合金薄葉片表面殘余應(yīng)力場進行測試分析；

(f)進行鈦合金薄葉片形貌測試。

優(yōu)選的，在步驟d對鈦合金薄葉片強化處理的設(shè)備為變脈寬激光器，主要由高效率陶瓷漫反聚光腔、電動轉(zhuǎn)臺能量調(diào)節(jié)裝置、軟邊光闌、成像濾波和高精度任意波形調(diào)制器等部件組成。

本發(fā)明具備以下有益效果：

1.創(chuàng)新性好，克服現(xiàn)有薄葉片單一脈寬激光沖擊而導(dǎo)致邊緣區(qū)變形嚴(yán)重，應(yīng)力分布不均勻的缺點，采用變脈寬納秒脈沖激光對鈦合金薄葉片側(cè)邊進行沖擊強化；變脈寬激光器是工藝實現(xiàn)的設(shè)備基礎(chǔ)，采用單模光纖種子光放大的技術(shù)路線，脈沖寬度5-50ns任意可調(diào)，并可以補償后續(xù)放大系統(tǒng)的增益飽和效應(yīng)。

2.工藝簡單，只需要對薄葉片采用不同脈寬、不同能量的激光參數(shù)處理就可，操作簡單，可行性高。