渦輪轉(zhuǎn)子葉片榫齒激光沖擊強(qiáng)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空領(lǐng)域，特別地，涉及一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片榫齒激光沖擊強(qiáng)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光沖擊強(qiáng)化（LSP)，又叫激光噴丸，是一種新型的材料表面強(qiáng)化技術(shù)，利用強(qiáng)激 光誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波力學(xué)效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行加工，具有高壓、高能、超快和超高應(yīng)變率等特 點(diǎn)。其形成的殘余壓應(yīng)力層能有效地消除材料內(nèi)部的應(yīng)力集中并抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展， 能夠顯著提高金屬零件的疲勞壽命以及抗腐蝕和耐磨損能力。大量的研宄證明激光沖擊強(qiáng) 化技術(shù)是延長(zhǎng)裂紋萌生時(shí)間，降低裂紋擴(kuò)展速度，提高材料壽命的有效手段。但現(xiàn)有技術(shù) 中，對(duì)于可用于渦輪轉(zhuǎn)子葉片的激光沖擊工藝，沒有任何描述。
[0003] 對(duì)于激光沖擊強(qiáng)化方法，例如CN201310384555. 6中公開了一種飛機(jī)葉片榫齒底 部平面激光沖擊強(qiáng)化方法和裝置，該方法需要借助導(dǎo)流噴射裝置和抽水裝置對(duì)激光強(qiáng)化過 程中的葉片榫槽底部進(jìn)行沖擊，從而消除榫槽內(nèi)產(chǎn)生的等離子體屏蔽效應(yīng)，使得激光能直 達(dá)槽底。該方法所需裝置復(fù)雜，且不能實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片榫槽與葉片部相接處的強(qiáng)化效果，無法有 效提高葉片的使用壽命和疲勞強(qiáng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片榫齒激光沖擊強(qiáng)化方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中渦輪轉(zhuǎn) 子葉片使用壽命較短，使用過程中容易產(chǎn)生裂紋斷裂的技術(shù)問題。
[0005] 本發(fā)明提供了一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片榫齒激光沖擊強(qiáng)化方法，渦輪轉(zhuǎn)子葉片包括葉片 部和與葉片部底部相接的圓柱部，圓柱部的一面上設(shè)置榫齒部，榫齒部與圓柱部相連接處 為R區(qū)，包括對(duì)R區(qū)和靠近R區(qū)的榫齒部分別進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，激光沖擊強(qiáng)化條件為激光 功率密度3. 3~7. 96GW/cm2,搭接率為65~100%。
[0006] 進(jìn)一步地，激光功率密度為4. 3~7. 96GW/cm2。
[0007] 進(jìn)一步地，激光功率密度為3. 3~4. 3GW/cm2。
[0008] 進(jìn)一步地，激光沖擊強(qiáng)化方法重復(fù)進(jìn)行3次。
[0009] 進(jìn)一步地，渦輪轉(zhuǎn)子葉片R區(qū)的工作溫度為530°C。
[0010] 進(jìn)一步地，方法包括以下步驟：1)首先對(duì)榫齒部和R區(qū)進(jìn)行梯度激光沖擊強(qiáng)化；2) 之后對(duì)圓柱部上與榫齒部相對(duì)設(shè)置的平面和榫齒部進(jìn)行錯(cuò)位激光沖擊強(qiáng)化，得到強(qiáng)化渦輪 葉片；平面與榫齒部的激光能量差為1. 5~2. 5J;梯度激光沖擊強(qiáng)化是指所用激光能量從 榫齒部向葉片部均勻下降。
[0011] 進(jìn)一步地，平面與榫齒部彼此橫向錯(cuò)開25~35%，激光投影前聚焦光斑尺寸為 杏2. 8~3. 2mm，所用激光波長(zhǎng)為1064nm，激光脈沖波形脈寬度為18~22nm，激光脈沖頻率 lHz〇
[0012] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0013] 本發(fā)明提供的工藝方法通過調(diào)整激光沖擊強(qiáng)化方法中所用激光功率密度，使得處 理后的表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力和顯微組織等各項(xiàng)性能達(dá)到最優(yōu)，且有效提高了所得葉 片在530°C下的疲勞性能，延長(zhǎng)了葉片的使用壽命，避免了葉片疲勞斷裂的頻繁發(fā)生。
[0014] 除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。 下面將參照?qǐng)D，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
【附圖說明】
[0015] 構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí) 施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：
[0016] 圖1是本發(fā)明待處理渦輪轉(zhuǎn)子葉片R區(qū)局部剖視示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的葉片部雙面錯(cuò)位激光沖擊強(qiáng)化操作示意圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的渦輪轉(zhuǎn)子葉片榫齒面激光沖擊光斑布置與路徑設(shè)置 不意圖；以及
[0019]圖4是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中實(shí)驗(yàn)過程中所用復(fù)合疲勞試驗(yàn)載荷譜。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定 和覆蓋的多種不同方式實(shí)施。
[0021] 若未特別指明，實(shí)施例中所用的技術(shù)手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)手段。
[0022] 本發(fā)明提供的激光沖擊強(qiáng)化方法通過對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子葉片上榫齒部與圓柱部相轉(zhuǎn)接 處進(jìn)行處理，在不影響葉片各項(xiàng)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子葉片使用壽命的提高。渦輪 轉(zhuǎn)子葉片包括葉片部和與葉片部底面相接的圓柱部，圓柱部的一面上設(shè)置有具有排氣作用 的榫齒結(jié)構(gòu)。榫齒結(jié)構(gòu)為樅樹狀，多通過銼、銑、磨等工藝獲得。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)葉片故障產(chǎn)生 的主要原因是葉片一端表面上設(shè)置的榫齒結(jié)構(gòu)與圓柱部相接處存在較深的機(jī)械加工銼痕， 導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，使得葉片在使用過程中容易出現(xiàn)斷裂。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子葉片在使 用過程中易出現(xiàn)裂紋。而對(duì)于該裂紋的檢測(cè)又較困難，如果不能及時(shí)檢測(cè)到或無法使用可 靠性較高的葉片，則在無法實(shí)時(shí)檢測(cè)葉片表面裂紋的情況下，繼續(xù)使用該葉片甚至容易發(fā) 生斷裂失效的情況?，F(xiàn)有技術(shù)中，為了降低榫頭部的應(yīng)力，多通過將葉片的葉冠部位切去了 1/3,并對(duì)榫齒結(jié)構(gòu)靠近葉片部的第一榫齒轉(zhuǎn)接處，設(shè)置沿齒形的倒角，將榫頭部位的表面 粗糙度提高到RaO. 8。將按上述方法改進(jìn)的葉片用于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，并每隔一定使用周期在發(fā)動(dòng) 機(jī)上采用內(nèi)窺鏡和原位渦流探傷的方法進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)葉片依然容易出現(xiàn)裂紋。說明該方 法并不能有效減少葉片榫齒結(jié)構(gòu)處的裂紋產(chǎn)生，無法從根本上保證渦輪轉(zhuǎn)子葉片在使用過 程中不出現(xiàn)斷裂。
[0023] 本發(fā)明提供的渦輪轉(zhuǎn)子葉片榫齒激光沖擊強(qiáng)化方法，渦輪轉(zhuǎn)子葉片包括葉片部和 與葉片部底部相接的圓柱部，圓柱部的一面上設(shè)置榫齒部，榫齒部與圓柱部相連接處為R 區(qū)，包括對(duì)R區(qū)和靠近R區(qū)的榫齒部分別進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，激光沖擊強(qiáng)化條件為激光功率 密度3. 3~7. 96GW/cm2,搭接率為65~100%。
[0024] 顯然對(duì)于該部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的其他條件可以與現(xiàn)有技術(shù)中的條件相 同。采用該激光功率密度進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，可以提高材料的顯微硬度和深度，使材料內(nèi)部 形成多層具有增強(qiáng)材料抗拉伸強(qiáng)度作用的孿晶層，影響深度可到200微米。在提高材料各 項(xiàng)性能的同時(shí)，還能降低激光沖擊對(duì)構(gòu)件表面造成的損傷，降低表面粗糙度過高。同時(shí)激光 沖擊對(duì)構(gòu)件造成的表面殘余應(yīng)力在該條件下可在葉片后續(xù)工作過程中，得到釋放，防止殘 余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的不良影響。激光沖擊強(qiáng)化后材料的冷作硬化率可低至3~5%，可在較低的 冷作硬化率下產(chǎn)生高密度的位錯(cuò)和較深的殘余應(yīng)力層，提高所用葉片材料的組織和力學(xué)性 能的熱穩(wěn)定性較好。優(yōu)選所用材料為鎳基高溫合金。所處理渦輪轉(zhuǎn)子葉片的榫齒部?jī)H處于 圓柱部的一側(cè)面上，榫齒部的相對(duì)側(cè)面為平面。所處理R區(qū)處于圓柱部具有榫齒部的一面 上，榫齒部最后一個(gè)榫齒與圓柱部相接處，之后R區(qū)經(jīng)過過渡與葉片部相接處。
[0025] 采用上述工藝進(jìn)行激光沖擊，葉片R區(qū)的組織內(nèi)沒有發(fā)生回復(fù)及再結(jié)晶現(xiàn)象，強(qiáng) 化組織和微觀應(yīng)力效果較穩(wěn)定，不會(huì)受到后續(xù)使用的影響。
[0026] 優(yōu)選經(jīng)過處理后的葉片的榫齒部的工作溫度為530°C。此時(shí)葉片經(jīng)上述激光沖擊 產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力得到徹底釋放，同時(shí)避免材料表面經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化產(chǎn)生的微觀組織形貌 消失。
[0027] 參見圖1，本發(fā)明提供的激光沖擊強(qiáng)化方法的處理對(duì)象為R區(qū)。渦輪轉(zhuǎn)子葉片包 括葉片部120和榫齒部110。榫齒部110位于圓柱部的一面上。葉片部120的底部121與 圓柱部相連接。榫齒部110與圓柱部的相接處為R區(qū)。為了加工方便，該葉片底部121設(shè) 置伸根段與榫齒110相連接，而整個(gè)R區(qū)在使用過程中發(fā)現(xiàn)極易斷裂。而R區(qū)并不同于榫 齒的槽底，R區(qū)是榫齒部與葉片部緊密連接的區(qū)域，存在著巨大的離心力和接觸應(yīng)力，是渦 輪葉片的高應(yīng)力區(qū)，容易在使用中產(chǎn)生裂紋直至斷裂。而榫頭的槽底與渦輪盤之間存在間 隙，且不存在接觸應(yīng)力，屬于低應(yīng)力區(qū)，因而適用于處理榫槽槽底的處理方法并不能實(shí)現(xiàn)對(duì) R區(qū)疲勞強(qiáng)度的提高。
[0028] 對(duì)該R區(qū)按上述參數(shù)進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)R區(qū)的顯微硬度提高7%~ 10%，影響深度超過0.8mm，最高可達(dá)到1.8mm。
[0029] 優(yōu)選激光功率密度為3. 3~4. 3GW/cm2時(shí)，R區(qū)的顯微硬度提高效果較優(yōu)，此時(shí)高 壓沖擊波在材料內(nèi)部傳播，引起材料高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使材料內(nèi)部微觀組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生 變化，經(jīng)過金相電鏡、掃描電鏡和透射電鏡等不同方法對(duì)不同激光參數(shù)的沖擊試件進(jìn)行微 觀組織分析表明，激光沖擊后材料沒有形成新相，未發(fā)生相變，材料表層孿晶增多，影響深 度達(dá)200微米。
[0030] 更優(yōu)選在此條件下對(duì)R區(qū)的激光沖擊強(qiáng)化重復(fù)進(jìn)行3次，此時(shí)R區(qū)的殘余應(yīng)力達(dá) 到飽和，顯微硬度提高達(dá)到最大和最深。
[0031] 優(yōu)選激光功率密度為4. 3~7. 96GW/cm2。按此條件進(jìn)行處理，可以降低渦輪轉(zhuǎn)子 葉片表面的粗糙度，使經(jīng)處理后渦輪轉(zhuǎn)子葉片表面粗糙度滿足葉片的粗糙度要求，與未經(jīng) 處理的渦輪葉片相比所形成的微觀改變可忽略。
[0032] 微量合金元素和雜質(zhì)使激光沖擊形成的晶粒更細(xì)化（甚至納米），材料具有較好 的熱穩(wěn)定性。優(yōu)選所用材料的基體是Ni，其中還含有多種微量合金元素：C、Cr、Al、Ti、Fe、 Nb、Mg和Zr以及雜質(zhì)元素：B、Ce、Mn、Si、P、S等。對(duì)此材料使用上述混合進(jìn)行激光沖擊強(qiáng) 化可以使Ni基中所含材料與其他金屬材料相互融合提高對(duì)R區(qū)處理后的強(qiáng)化效果。
[0033] 參見圖2,具體的，本發(fā)明提供的方法包括以下步驟：
[0034] 1)首先對(duì)榫齒部和R區(qū)進(jìn)行梯度激光沖擊強(qiáng)化；
[0035] 2)之后對(duì)圓柱部上與榫齒部相對(duì)設(shè)置的平面和榫齒部進(jìn)行錯(cuò)位激光沖擊強(qiáng)化，得 到強(qiáng)化渦輪葉片；平面與榫齒部的沖擊能量差為1. 5~2. 5J。
[0036] 平面與榫齒部的沖擊能量差為1.5~2. 5J。按此強(qiáng)度差進(jìn)行沖擊，可以有效防止 所得渦輪葉片在激光沖擊強(qiáng)化過程中發(fā)生宏觀形變，并能保持被沖擊表面的粗糙度，降低 表面殘余應(yīng)力，提高沖擊表面的疲勞強(qiáng)度。
[0037] 優(yōu)選的，平面與榫齒部彼此橫向錯(cuò)開25~35%，激光投影前聚焦光斑尺寸為 杏2. 8~3. 2mm，所用激光波長(zhǎng)為1064nm，激光脈沖波形脈寬度為18~22nm，激光脈沖頻率 1Hz。按此進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，可有效避免葉片發(fā)生宏觀形變，提高經(jīng)過處理后葉片的使用 壽命。更優(yōu)選都可以面與第二面橫向錯(cuò)開30%。激光投影前聚焦光斑尺寸為纟3mm，激光 波長(zhǎng)1064nm，激光脈沖波形脈寬20nm，激光脈沖頻率1Hz。按此條件處理后所得渦輪葉片的 使用壽命達(dá)到最高。
[0038] 按此步驟依序進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，可以避免所得渦輪轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生宏觀形變和損 傷。步驟1)參見圖3,梯度激光沖