專利名稱：低流量的邊界傾斜激光沖擊硬化的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光沖擊硬化，更具體地涉及采用低流量(fluence)的傾斜激光束對界定了激光沖擊硬化表面的邊界區(qū)域進行激光沖擊硬化的方法和產(chǎn)品。
背景技術：
激光沖擊硬化也稱為激光沖擊處理，它是一種通過對物體的表面區(qū)域進行激光沖擊硬化來產(chǎn)生較深的殘余壓應力區(qū)域的工藝。激光沖擊硬化通常使用一個或多個源自約50焦耳或以上的高能脈沖激光束的輻射脈沖來在物體表面上產(chǎn)生強沖擊波，其類似于題為“改變材料特性”的美國專利No.3850698、題為“激光沖擊處理”的美國專利No.4401477以及題為“材料特性”的美國專利No.5131957中所公開的方法。在題為“使用低能量激光的激光沖擊硬化”的美國專利No.5932120中公開了低能量激光束的應用，該專利于1999年8月3日授權，并已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。如本領域所理解并在本文中所使用的那樣，激光沖擊硬化意味著利用來自激光束源的脈沖激光束，通過可形成等離子的表面上的薄層或涂層(如膠帶或涂料)的瞬時消融或蒸發(fā)來在激光束的沖擊點處產(chǎn)生爆炸力，從而在一部分表面上形成較強的局部壓力。
激光沖擊硬化正被應用在燃氣渦輪發(fā)動機領域的許多應用中，在題為“飛行器上的激光沖擊硬化”的美國專利No.5756965、題為“激光沖擊硬化過的燃氣渦輪發(fā)動機的風扇葉片邊緣”的美國專利No.5591009、題為“用于激光沖擊硬化過的燃氣渦輪發(fā)動機的壓縮機葉片邊緣的變形控制”的美國專利No.5531570、題為“用于渦輪機的激光沖擊硬化過的轉(zhuǎn)子部件”的美國專利No.5492447、題為“用粘結(jié)帶進行覆蓋的激光沖擊硬化”的美國專利No.5674329以及題為“用干膠帶進行覆蓋的激光沖擊硬化”美國專利No.5674328中公開了其中的一些例子，所有這些專利均已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。
如在題為“激光硬化系統(tǒng)和方法”的美國專利No.4937421中所公開的那樣，激光沖擊硬化已經(jīng)用于在物體的外表面上產(chǎn)生壓應力保護層，其能夠顯著地提高物體抵抗疲勞破壞的能力。這些方法通常使用在物體上流動的水幕或其它一些方法來提供等離子約束媒介。這種媒介可使等離子快速地達到?jīng)_擊波壓力，這將產(chǎn)生塑性變形和形成了激光沖擊硬化(LSP)效果的相關殘余應力分布形式。水幕提供了一種約束媒介，其將由該工藝產(chǎn)生的沖擊波約束并重定向到被激光沖擊硬化的零件的材料體積內(nèi)，以產(chǎn)生有利的殘余壓應力。
源自快速膨脹的等離子的壓力脈沖將行進沖擊波傳播至零件內(nèi)。這種由激光脈沖所引起的壓縮沖擊波導致了在零件中產(chǎn)生深度的塑性壓縮應變。這些塑性應變產(chǎn)生了與材料的動態(tài)模量相一致的殘余應力。在工程零件中由激光沖擊硬化所引起的殘余壓應力的許多有用的優(yōu)點已經(jīng)獲得了很好的證明并申請了專利，這些優(yōu)點包括在疲勞能力方面的提高。這些殘余壓應力由零件中的殘余拉應力來平衡。較大的殘余拉應力可能會局部地降低零件的疲勞能力，因此應當降低殘余拉應力和/或使之降到最小?？稍诹慵系倪x出部位處進行激光沖擊硬化，以便解決特定的問題。平衡的拉應力通常產(chǎn)生于激光沖擊硬化區(qū)域的邊緣處。在緊鄰激光沖擊硬化斑點處或沿著斑點邊緣的區(qū)域形成了細窄帶或線形形式的拉應力。需要進行大量的有限元分析來確定這些拉應力將滯留何處，并對LSP斑點進行設計和將其尺寸加工成使得拉應力帶終止于物體或零件的惰性部分中(例如不是彎曲、扭轉(zhuǎn)或其它振動模式中之一的高應力線)。希望能降低激光沖擊硬化區(qū)域和非激光沖擊硬化區(qū)域之間的過渡區(qū)域內(nèi)的這些拉應力的水平。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于對物體進行激光沖擊硬化的方法，包括在第一區(qū)域的第一表面處利用至少一條高流量的正交激光束對第一區(qū)域進行激光沖擊硬化，并在第一區(qū)域和物體的非激光沖擊硬化區(qū)域之間的邊界區(qū)域處利用至少一條第一低流量的傾斜激光束對該邊界區(qū)域進行激光沖擊硬化。在本方法的一個具體實施例中，第一低流量的傾斜激光束具有為高流量正交激光束的約50％的流量，高流量正交激光束例如具有約200焦耳/平方厘米的流量。在本發(fā)明的另一更具體的實施例中，第一低流量的傾斜激光束用于僅在邊界區(qū)域中形成一排第一低流量的激光沖擊硬化斑點。
本方法的另一實施例還包括利用第一低流量的傾斜激光束對界定了第一區(qū)域的邊界區(qū)域的第一部分進行激光沖擊硬化，并利用第二低流量的傾斜激光束對位于第一區(qū)域和非激光沖擊硬化區(qū)域之間的邊界區(qū)域的第二部分進行激光沖擊硬化，其中第二低流量的傾斜激光束具有比第一低流量的傾斜激光束更低的流量。在本方法的一個更具體的實施例中，第一低流量的傾斜激光束具有為高流量的正交激光束的約50％的流量。第二低流量的傾斜激光束具有為第一低流量的傾斜激光束的約50％的流量。在另一更具體的實施例中，高流量的正交激光束具有約200焦耳/平方厘米的流量。
本方法的另一實施例還包括利用從第一低流量的傾斜激光束開始的漸變式低流量的傾斜激光束對邊界區(qū)域進行激光沖擊硬化，其中該漸變式低流量的傾斜激光束在從第一區(qū)域經(jīng)由邊界區(qū)域到非激光沖擊硬化區(qū)域上的向外方向上處于從最大流量到最小流量的順序。本方法的一個更具體的實施例還包括在第一區(qū)域中形成高流量的激光沖擊硬化斑點，在邊界區(qū)域中形成第一低流量的激光沖擊硬化斑點，并在相同的功率級或能級下操作高流量的正交激光束和低流量的傾斜激光束，其中第一低流量的激光沖擊硬化斑點在面積上大于高流量的激光沖擊硬化斑點。


圖1是作為示例性物體的風扇葉片的透視圖，其中在第一區(qū)域中利用高流量的正交激光束來進行激光沖擊硬化，而在第一區(qū)域和物體的非激光沖擊硬化區(qū)域之間的邊界區(qū)域中利用低流量的傾斜激光束來進行激光沖擊硬化。
圖2是圖1所示風扇葉片的翼型前緣處的激光沖擊硬化區(qū)域的截面視圖。
圖3是對圖1所示物體進行激光沖擊硬化的方法的示例性示意圖，其中在第一區(qū)域中利用高流量的正交激光束來進行激光沖擊硬化，而在第一區(qū)域和物體的非激光沖擊硬化區(qū)域之間的邊界區(qū)域中利用低流量的傾斜激光束來進行激光沖擊硬化。
圖4是一種激光沖擊硬化方法的概略性視圖，其在圖3所示的邊界區(qū)域中使用了兩行漸變式低流量的激光沖擊硬化斑點。
圖5是一種激光沖擊硬化方法的概略性視圖，其在圖3所示的邊界區(qū)域中使用了三行漸變式低流量的激光沖擊硬化斑點。
圖6是一種羽狀激光沖擊硬化方法的概略性圖，其在圖3所示的邊界區(qū)域中使用了多行漸變式低流量的激光沖擊硬化斑點以獲得羽狀效果。
各幅圖中的標號含義如下8風扇葉片；10物體；14第一區(qū)域；16高流量的正交激光束；20邊界區(qū)域；22非激光沖擊硬化區(qū)域；24第一低流量的傾斜激光束；26一行；30高流量的激光沖擊硬化斑點；31第一低流量的激光沖擊硬化斑點；32第一部分；34翼型；35葉片基部；36葉片緣板；37內(nèi)端；38葉尖；39第二部分；40根部；42葉根；44葉柄；45第二低流量的激光束；54激光沖擊硬化的斑點或表面；56預應力區(qū)域；60第二低流量的激光沖擊硬化斑點；62第三低流量的激光沖擊硬化斑點；64漸變式低流量的激光沖擊硬化斑點；AS小斑點面積；AL大斑點面積；B斜角；B1第一斜角；B2第二斜角；B3第三斜角；B4第四斜角；B5第五斜角；BN直角；C弦長；D直徑；L長度；L1第一長度；L2第二長度；L3第三長度；L4第四長度；L5第五長度；S1第一卵形激光沖擊硬化斑點；S2第二卵形激光沖擊硬化斑點；S3第三卵形激光沖擊硬化斑點；S4第四卵形激光沖擊硬化斑點；S5第五卵形激光沖擊硬化斑點；LE前緣；TE后緣。
具體實施例方式
在圖1和2中顯示了具有翼型34的風扇葉片8，翼型34由鈦合金制成，并從葉片緣板36中從葉片基部35到葉尖38徑向向外地延伸。葉片8代表了可進行低流量的邊界激光沖擊硬化的硬金屬物體10。風扇葉片8包括根部40，其從緣板36徑向向內(nèi)地延伸到根部40的徑向內(nèi)端37。葉根42位于根部40的徑向內(nèi)端37處，并通過葉柄44與緣板36相連。翼型34沿弦向在翼形的前緣LE和后緣TE之間延伸。翼形34的弦長C是在葉片各截面中的前緣LE和后緣TE之間的直線。
眾所周知，可利用激光沖擊硬化來克服物體中某些部分處的可能的疲勞失效。通常來說，物體如葉片8的一面或兩面都經(jīng)過了激光沖擊硬化，產(chǎn)生了激光沖擊硬化斑點或表面54和預應力區(qū)域56，該區(qū)域具有由激光沖擊硬化方法所施加的從激光沖擊硬化表面54延伸到物體中的深度殘余壓應力。
圖1和2所示的示例性激光沖擊硬化表面54形成為沿著前緣LE的一部分。預應力區(qū)域56中的由激光沖擊硬化所施加的殘余壓應力由殘余拉應力來平衡，該拉應力延伸到葉片中的界定了激光沖擊硬化斑點或表面54的區(qū)域內(nèi)，這就可能會局部地降低葉片或其它物體在激光沖擊硬化表面54附近的由激光沖擊硬化增強的疲勞能力?？稍谶吔鐓^(qū)域20中進行低流量的邊界激光沖擊硬化，以便降低這些殘余拉應力并減小或消除所降低的疲勞能力，該邊界區(qū)域20位于高流量的激光沖擊硬化的第一區(qū)域14和激光沖擊硬化斑點或表面54之外的非激光沖擊硬化區(qū)域22之間。
圖3顯示了用于對物體如風扇葉片8進行激光沖擊硬化的低流量的邊界激光沖擊硬化方法。該方法包括利用至少一條高流量的正交激光束16對第一區(qū)域14進行激光沖擊硬化，并利用至少一條第一低流量的傾斜激光束24對位于物體10的第一區(qū)域14和非激光沖擊硬化區(qū)域22之間的邊界區(qū)域20進行激光沖擊硬化。高流量的正交激光束16正交于激光沖擊硬化表面54，相對于表面54成90度或直角BN。低流量的傾斜激光束24是傾斜的，相對于表面54形成斜角B。
在本方法的一個示例性實施例中，第一低流量的傾斜激光束24在表面54上具有為高流量的正交激光束16的約50％的流量。高流量的正交激光束16的一個特別有效的流量為約200焦耳/平方厘米。激光束可具有相同的功率，并在與其正交的表面上具有相同的流量，然而可通過調(diào)節(jié)激光束或表面54來使激光束傾斜于物體10的表面54。斜射束產(chǎn)生卵形的激光束斑點，而正交射束產(chǎn)生圓形的激光束斑點。如果兩條射束具有相同的功率，那么穿過卵形激光束斑點的流量小于穿過圓形激光束斑點的流量。這樣，可利用相同的射束來以高流量的激光沖擊硬化的方式對第一區(qū)域14進行激光沖擊硬化，并以低流量的邊界激光沖擊硬化的方式對邊界區(qū)域20進行激光沖擊硬化。
在圖3中顯示了形成于第一區(qū)域14中的高流量的激光沖擊硬化斑點30，其為圓形的并具有直徑D和較小的斑點面積AS。形成于邊界區(qū)域20中的第一低流量的激光沖擊硬化斑點31顯示為卵形，并具有等于直徑D的寬度、長度L以及較大的斑點面積AL。這意味著高流量的正交激光束16和第一低流量的傾斜激光束24可具有相同的直徑和功率，但在表面54上具有不同的激光束截面積和流量?；蛘?，高流量的正交激光束16和第一低流量的傾斜激光束24可具有不同的功率級或能級。本方法設計成可使用約20到50焦耳的高能激光束，或者使用約3到10焦耳的低能激光束，以及其它能級的激光束。例如可見于1997年10月7日授權的美國專利No.5674329(使用高能激光的LSP工藝)以及于1999年8月3日授權的美國專利No.5932120(使用低能激光的LSP工藝)。
激光能量和激光束尺寸的組合為高流量的正交激光束16提供了通常高達約200焦耳/平方厘米的能量密度或流量，然而也可使用更低一些的流量。高流量的激光沖擊硬化斑點30顯示為具有圓形的形狀，但也可具有其它的形狀，例如卵形或橢圓形(參見于2003年4月1日授權的Mannava等人的題為“激光沖擊硬化的整體式葉片的轉(zhuǎn)子葉緣”的美國專利No.6541733)。低流量的激光沖擊硬化斑點31顯示為具有卵形，但也可具有其它的形狀如橢圓形。激光沖擊硬化斑點通常形成為重疊斑點的重疊行的形式。一種特別的設計是在一行中的兩個斑點之間以及相鄰行是的斑點之間具有約30％的直徑重疊。
在圖3所示的方法實施例中，第一低流量的傾斜激光束24僅用于在邊界區(qū)域20中產(chǎn)生一行第一低流量的激光沖擊硬化斑點31的行26。圖4所示的另一方法實施例包括利用第一低流量的傾斜激光束24以相對于表面54成第一斜角B1的方向?qū)缍说谝粎^(qū)域14的邊界區(qū)域20的第一部分32進行激光沖擊硬化，并利用第二低流量的傾斜激光束45以相對于表面54成更小的第二斜角B2的方向?qū)ξ挥诘谝徊糠?2和非激光沖擊硬化區(qū)域22之間的邊界區(qū)域20的第二部分39進行激光沖擊硬化。雖然使用相同的激光束，然而由于第二斜角B2小于第一斜角B1，因此第二低流量的傾斜激光束45具有比第一低流量的傾斜激光束24更低的流量。可采用處于直角BN、第一斜角B1及第二斜角B2這三個不同角度下的相同激光束來對表面54進行激光沖擊硬化，從而形成高流量的激光沖擊硬化的第一區(qū)域14和低流量的激光沖擊硬化的邊界區(qū)域20。在本方法的一個更具體的實施例中，第一低流量的傾斜激光束24具有為高流量的正交激光束16的約50％的流量。第二低流量的傾斜激光束45具有為第一低流量的傾斜激光束24的約50％的流量。高流量的正交激光束16的一個特別有用的流量為約200焦耳/平方厘米。也可在邊界區(qū)域20中使用其它數(shù)量例如三條低流量的傾斜激光束，它們分別由第一、第二和第三行的第一、第二和第三低流量的激光沖擊硬化斑點31，60和62來表示，如圖5所示。
圖6顯示了利用漸變式低流量的傾斜激光束對邊界區(qū)域20進行激光沖擊硬化的羽狀邊界區(qū)域20，這些傾斜激光束從第一低流量傾斜激光束24開始，并由漸變式低流量的激光沖擊硬化斑點64來表示，其中漸變式低流量的傾斜激光束在從第一區(qū)域經(jīng)邊界區(qū)域20到非激光沖擊硬化區(qū)域22的向外方向上處于從最大流量到最小流量的順序。漸變式低流量的傾斜激光束可通過使相同功率的低流量的傾斜激光束相對于表面54傾斜成漸變式降低或減小的斜角來產(chǎn)生，這些斜角由第一至第五斜角B1-B5來顯示。相應低流量的第一至第五卵形激光沖擊硬化斑點S1-S5具有與圓形激光沖擊硬化斑點的直徑D相等的寬度，以及逐漸增大的第一至第五長度L1-L5。羽狀效果可通過三行或四行或更多行的低流量的傾斜激光束來實現(xiàn)。一種示例性的羽狀形成方法包括使高流量正交激光束的200焦耳/平方厘米的流量以-50焦耳/平方厘米的增量逐漸降低至50焦耳/平方厘米，這樣就具有分別由150焦耳/平方厘米、100焦耳/平方厘米和50焦耳/平方厘米流量的傾斜激光束所產(chǎn)生的三行低流量的激光沖擊硬化斑點。另一示例性的羽狀形成方法包括使高流量正交激光束的200焦耳/平方厘米的流量以-25焦耳/平方厘米的增量逐漸降低至25焦耳/平方厘米，這樣就具有分別由175焦耳/平方厘米、150焦耳/平方厘米、125焦耳/平方厘米、100焦耳/平方厘米、75焦耳/平方厘米、50焦耳/平方厘米和25焦耳/平方厘米流量的傾斜激光束所產(chǎn)生的七行低流量的激光沖擊硬化斑點，并在相同的功率級或能級下來操作高流量的正交激光束16和低流量的傾斜激光束24。
在上文中已就將高流量的正交激光束16應用在高流量激光沖擊硬化的第一區(qū)域14中介紹了低流量的邊界傾斜激光沖擊硬化方法的示例性實施例?；蛘?，也可使用大斜角的激光束，雖然其不與表面54垂直，但與低流量的傾斜激光束24相比還是具有較大的流量。用于產(chǎn)生大斜角激光束的相同激光可用來產(chǎn)生低流量的傾斜激光束24。與大斜角激光束的大斜角相比而言，低流量的傾斜激光束相對于表面54形成了明顯更小的斜角。
在上文中已通過示例性方式介紹了本發(fā)明。應當理解，所用術語在本質(zhì)上具有描述性而非限制性。雖然在這里已經(jīng)介紹了被認為是本發(fā)明的優(yōu)選和代表性的實施例，然而對于本領域的技術人員來說很明顯，從本文所授的內(nèi)容中可知曉本發(fā)明的其它修改，因此，在所附權利要求中希望保護所有這些屬于本發(fā)明的精髓和范圍內(nèi)的修改。
因此，希望由美國專利證書保護的是在下述權利要求書中所定義并區(qū)分的發(fā)明。
權利要求
1.一種用于對物體(10)進行激光沖擊硬化的方法，所述方法包括利用至少一條相對于激光沖擊硬化表面(54)垂直的高流量的正交激光束(16)對所述表面(54)的第一區(qū)域(14)進行激光沖擊硬化，和利用至少一條相對于所述表面(54)傾斜的第一低流量的傾斜激光束(24)對所述第一區(qū)域(14)和所述物體(10)的非激光沖擊硬化區(qū)域(22)之間的所述表面(54)的邊界區(qū)域(20)進行激光沖擊硬化。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一低流量的傾斜激光束(24)具有為所述高流量的正交激光束(16)的約50％的流量。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述高流量的正交激光束(16)具有約200焦耳/平方厘米的流量。
4.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一低流量的傾斜激光束(24)用于僅在所述邊界區(qū)域(20)中產(chǎn)生一行第一低流量的激光沖擊硬化斑點的行(26)。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括利用所述第一低流量的傾斜激光束(24)對界定了所述第一區(qū)域(14)的所述邊界區(qū)域(20)的第一部分(32)進行激光沖擊硬化，并利用第二低流量的傾斜激光束(45)對所述第一區(qū)域(14)和非激光沖擊硬化區(qū)域(22)之間的所述邊界區(qū)域(20)的第二部分(39)進行激光沖擊硬化，其中所述第二低流量的傾斜激光束(45)具有比所述第一低流量的傾斜激光束(24)更低的流量。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一低流量的傾斜激光束(24)具有為所述高流量的正交激光束(16)的約50％的流量，所述第二低流量的傾斜激光束(45)具有為所述第一低流量的傾斜激光束(24)的約50％的流量。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括利用從所述第一低流量的傾斜激光束(24)開始的漸變式低流量的激光束對所述邊界區(qū)域(20)進行激光沖擊硬化，其中所述漸變式低流量的傾斜激光束在從所述第一區(qū)域經(jīng)邊界區(qū)域(20)到非激光沖擊硬化區(qū)域(22)的向外方向上處于從最大流量到最小流量的順序，并且相對于所述表面(54)形成逐漸減小的斜角(B1-B5)。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述第一區(qū)域(14)中利用所述高流量的正交激光束(16)來形成高流量的激光沖擊硬化斑點(30)，在所述邊界區(qū)域(20)中利用所述低流量的傾斜激光束(24)來形成第一低流量的激光沖擊硬化斑點(31)，和在相同功率下操作所述高流量的傾斜激光束(16)和低流量的傾斜激光束(24)。
9.一種經(jīng)激光沖擊硬化的物體(10)，包括經(jīng)激光沖擊硬化的表面(54)，其具有經(jīng)激光沖擊硬化的第一區(qū)域(14)以及位于所述第一區(qū)域(14)和所述物體(10)的非激光沖擊硬化區(qū)域(22)之間的經(jīng)激光沖擊硬化的邊界區(qū)域(20)，其中，所述經(jīng)激光沖擊硬化的第一區(qū)域(14)利用至少一條高流量的正交激光束(16)來進行激光沖擊硬化，和所述經(jīng)激光沖擊硬化的邊界區(qū)域(20)利用至少一條第一低流量的傾斜激光束(24)來進行激光沖擊硬化。
10.根據(jù)權利要求9所述的物體，其特征在于，所述邊界區(qū)域(20)利用從所述第一流量激光束(24)開始的漸變式低流量的激光束來進行激光沖擊硬化，其中所述漸變式低流量激光束在從所述第一區(qū)域經(jīng)邊界區(qū)域(20)到非激光沖擊硬化區(qū)域(22)的向外方向上處于從最大流量到最小流量的順序。
全文摘要
一種激光沖擊硬化方法，包括利用至少一條高流量的正交激光束(16)對第一區(qū)域(14)進行激光沖擊硬化，并利用至少一條第一低流量的傾斜激光束(24)對位于第一區(qū)域(14)和物體(10)的非激光沖擊硬化區(qū)域(22)之間的邊界區(qū)域(20)進行激光沖擊硬化。邊界區(qū)域(20)可由兩條或多條低流量的傾斜激光束(45)來進行激光沖擊硬化。第二低流量的傾斜激光束(45)和其它激光束具有比第一低流量的傾斜激光束(24)更低的流量。邊界區(qū)域(20)可利用從第一流量的傾斜激光束(24)開始的漸變式低流量的傾斜激光束來進行激光沖擊硬化，其中這些漸變式低流量的傾斜激光束在從第一區(qū)域經(jīng)邊界區(qū)域(20)到非激光沖擊硬化區(qū)域(22)的向外方向上處于從最大流量到最小流量的順序。
文檔編號B23K103/14GK1664129SQ20051005303
公開日2005年9月7日 申請日期2005年3月2日 優(yōu)先權日2004年3月2日
發(fā)明者S·R·曼納瓦, W·W·舍菲爾德 申請人:通用電氣公司