航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片激光沖擊處理過程控制研究

曹子文，鄒世坤，車志剛，許海鷹

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024）

1 引言

隨著激光器件技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)脈沖激光的頻率可以達(dá)到1Hz甚至10Hz以上，激光沖擊處理加工效率得到很大提高。美國(guó)F110發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)葉片的強(qiáng)化時(shí)間由最初的每片30min縮短到12min，并可能僅一步縮短到4min。2001～2002年，美國(guó)空軍制造技術(shù)協(xié)會(huì)為F119發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)整體葉盤生產(chǎn)線發(fā)展了特定的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，包括自動(dòng)快速涂層、工藝參數(shù)監(jiān)控和圖像定位技術(shù)，每個(gè)整體葉盤的強(qiáng)化處理時(shí)間縮短為8h。

LSPT、GE、MIC公司以及日本東芝公司的激光沖擊處理過程控制工藝穩(wěn)定性一直影響著其應(yīng)用，并且得到大力研究，取得較大進(jìn)展。中國(guó)的激光沖擊處理相關(guān)設(shè)備發(fā)展較慢，工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少，過程控制工藝穩(wěn)定性研究比較薄弱。北京航空制造工程研究所擁有多年激光沖擊處理技術(shù)研究基礎(chǔ)，于2004年開始水約束激光沖擊強(qiáng)化鈦合金葉片的研究,開展高頻率YAG激光沖擊處理試驗(yàn)研究，逐步解決了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的高頻率強(qiáng)脈沖激光沖擊處理技術(shù)難題，研究了激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片過程控制工藝穩(wěn)定性的幾大關(guān)鍵性因素，并提出了過程控制的解決方案，為激光沖擊處理技術(shù)的工程化、自動(dòng)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 過程控制的關(guān)鍵性因素

約束模式的激光沖擊處理包含脈沖激光、約束層、吸收層、金屬靶材4個(gè)主體要素，如圖1所示。相應(yīng)地，過程控制的工藝穩(wěn)定性分為4個(gè)方面：光路的連續(xù)、約束層的平整、吸收層的完整、靶材的質(zhì)量。而這4個(gè)因素相互影響的。

2.1 光斑的可調(diào)、光路的連續(xù)

在激光沖擊處理過程中，由于激光光斑尺寸和激光功率密度一般為固定值，其對(duì)工藝穩(wěn)定性的影響不需要重點(diǎn)考慮。為了保證激光按照工藝要求輻照在金屬表面，光路的控制就顯得尤為重要。光路控制包括關(guān)光控制；光斑形狀控制；反射光控制。在工藝穩(wěn)定性控制特別是出現(xiàn)異常的反饋控制中，關(guān)光控制十分重要，如吸收層破損可能導(dǎo)致靶材損傷時(shí)需要關(guān)光控制。反射光控制可以防止在調(diào)光路時(shí)破壞外管路和激光器。下面重點(diǎn)描述光斑形狀的控制。

美國(guó)GE公司[3]提出采用法拉第隔離器防止激光反射進(jìn)入激光器，現(xiàn)在工業(yè)用的激光器普遍采用了這項(xiàng)技術(shù)。RR公司在2006[4]年提出在激光光路中采用掩模方式改變光斑的形狀，從而獲得理想的光斑形式，如圖2所示。掩模整形后的光斑比較常用的是方形，因?yàn)榉叫喂獍呖梢垣@得比較好的搭接效果。掩模法可以有效快速地將激光束整形，但激光能量浪費(fèi)大。北京航空制造工程研究所在激光外光路整形取得了巨大突破，在幾乎零損失能量的情況下實(shí)現(xiàn)了圓形光斑向方形光斑的轉(zhuǎn)換。

在激光沖擊處理過程中，脈沖激光引起等離子體爆炸導(dǎo)致水約束介質(zhì)以很快的速度向周圍濺射，而當(dāng)激光沖擊處理頻率較高時(shí)，水霧可能濺射到光學(xué)鏡片表面或在空氣中阻止部分光路，從而導(dǎo)致激光沖擊處理失敗。因此，在高頻激光沖擊處理過程中，保證光路連續(xù)性非常關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)光路的清理方面研究很多，基本上以吹氣為主。美國(guó)LSPT公司在2003年[5]提出通過吹風(fēng)、隔膜、風(fēng)扇等形式清理激光沖擊處理光路上的粉塵和水霧。美國(guó)GE公司在2004年[6]采用末端鏡片與工件之間噴出空氣或氮?dú)鈿饬鱽砬宄绊懠す夤饴返念w粒物(水霧等)，其中涉及到對(duì)透鏡焦距、聚焦角度、噴嘴位置等的合理計(jì)算。

北京航空制造工程研究所在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片強(qiáng)化工藝中，為保證光路的連續(xù)，采用了焦距長(zhǎng)1 m的聚焦透鏡，配合光路上的吹氣和抽氣設(shè)計(jì)，及時(shí)地清理了激光通道，并保證鏡片無污染。在工藝允許的情況下，采用聚焦鏡略微向下傾斜的方法，進(jìn)一步避免濺射的水污染鏡片，同時(shí)也可減少反射光損傷激光器的可能性。具有一定傾斜角度的聚焦鏡對(duì)光斑尺寸的影響較小，但葉片運(yùn)動(dòng)方向與激光入射方向不垂直時(shí)，需要進(jìn)行焦點(diǎn)位置插補(bǔ)，以保證光斑位置的穩(wěn)定。

2.2 約束層的平整

激光沖擊處理過程中，在吸收層表面覆蓋的一層對(duì)激光透明的介質(zhì)稱為約束層。其作用是限制靶材汽化、提高脈沖壓力和作用時(shí)間。約束層是決定約束方式的主要因素，一般來說，約束層分為固態(tài)介質(zhì)和液態(tài)介質(zhì)。固態(tài)介質(zhì)分為硬介質(zhì)及軟介質(zhì)，光學(xué)玻璃是常用的硬介質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)激光能量吸收少、產(chǎn)生的沖擊波壓力高；缺點(diǎn)是只適合對(duì)平面表面強(qiáng)化，且沖擊時(shí)要產(chǎn)生爆破碎片，難于防護(hù)和清理；軟介質(zhì)對(duì)非平面表面的沖擊處理，可以做到很好的貼合，但不適合連續(xù)強(qiáng)化。液態(tài)介質(zhì)中水是最常用、經(jīng)濟(jì)的約束介質(zhì)。水約束分為靜水和流水約束2種方式。靜水在吸收層汽化過程中容易受到污染，且沖擊波會(huì)使水表面波動(dòng)，影響下道沖擊工藝；流水在精確處理中要獲得平整的界面需要較長(zhǎng)時(shí)間，因而激光沖擊頻率就不可能很高。

激光沖擊后會(huì)產(chǎn)生水流不穩(wěn)定區(qū)，因此水流恢復(fù)平整需要時(shí)間。特別是在葉片邊緣位置，水流不穩(wěn)定容易造成水簾的厚度不均，局部點(diǎn)甚至?xí)霈F(xiàn)透鏡效應(yīng)，從而導(dǎo)致局部功率密度過高或者破壞吸收層。為保證約束層的平穩(wěn)，可在葉片邊緣引入導(dǎo)流層，或者采用吸收層超出葉片邊緣的方法進(jìn)行引流，如圖4所示。采用探測(cè)激光以一定角度照射在水約束層，通過水膜上下2個(gè)表面的反射光程差，計(jì)算得到水膜的厚度，以確定約束層的厚度，如其厚度不滿足工藝要求，則可通過調(diào)節(jié)空氣噴射裝置的出氣壓力和時(shí)間，以控制水約束層的厚度，如圖5所示。

2.3 吸收層的完整

在激光沖擊處理時(shí)，靶材表面預(yù)置的吸收層是激光能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的載體，其作用是吸收激光能量產(chǎn)生等離子體，保護(hù)靶材表面，防止其熔化或汽化。吸收層是否完整直接影響靶材的質(zhì)量。但在激光沖擊處理過程中，由于吸收層的質(zhì)量是不可控制的，一旦出現(xiàn)破損或者鼓起，激光沖擊處理的進(jìn)程就不得不中斷。吸收層破損原因主要有2個(gè)：一是前1個(gè)激光脈沖產(chǎn)生的表面波導(dǎo)致后1個(gè)沖擊位置的吸收層局部突起，從而導(dǎo)致在下1個(gè)沖擊位置吸收層破損；二是光斑搭接處的強(qiáng)化次數(shù)過多，吸收層厚度過薄而產(chǎn)生破損。作為激光沖擊處理約束模式中靶材的重要“防線”，吸收層在工藝穩(wěn)定控制中必須通過3維圖像檢測(cè)的方法得到實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常，控制系統(tǒng)應(yīng)向激光器或光路發(fā)出關(guān)光指令[8]。

2.4 靶材的質(zhì)量

靶材的質(zhì)量是激光沖擊處理工藝穩(wěn)定性控制的核心，卻是處理過程中不可控制的因素。早期的基于激光沖擊處理凹坑的容量分析的質(zhì)量保證技術(shù)，表面波臨界角確定法，超聲多級(jí)變換可旋轉(zhuǎn)掃描儀器等方法都不能滿足工程化需求[9-11]，后期發(fā)展的基于等離子體監(jiān)測(cè)、聲信號(hào)監(jiān)測(cè)和固有頻率監(jiān)測(cè)等方法非常適合在線檢測(cè)靶材的強(qiáng)化。北京航空制造工程研究所已經(jīng)建立葉片在線固有頻率檢測(cè)系統(tǒng)，在激光沖擊處理葉片過程中，每個(gè)激光沖擊都引起葉片固有頻率微小變化，通過葉片固有頻率變化間接控制對(duì)靶材產(chǎn)生的沖擊效果。

激光沖擊處理薄壁結(jié)構(gòu)葉片的主要問題是葉片型面控制。一般而言，強(qiáng)化位置的葉片厚度總是變化的，如果葉片強(qiáng)化位置的厚度大于1.5mm，可以采用雙面依次強(qiáng)化；而厚度小于1.5mm的部分，必須采用雙面強(qiáng)化，以最大限度減小型面變形。葉片越薄，應(yīng)力波達(dá)到背表面時(shí)的壓力越大，因此，在滿足表面殘余壓應(yīng)力條件下，對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)盡可能采用低強(qiáng)度激光沖擊強(qiáng)化，以避免層裂，必要時(shí)應(yīng)考慮在背表面布置吸波層。

3 結(jié)束語(yǔ)

激光沖擊處理工藝過程控制的穩(wěn)定性是隨著該工藝的不斷發(fā)展而發(fā)展的，目前在水約束激光沖擊處理航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片時(shí)，需要考慮以下關(guān)鍵性因素。

（1）光路的穩(wěn)定性：保證光路系統(tǒng)快速開關(guān)，避免激光反射對(duì)激光器的損傷，保證外光路通道清潔。

（2）約束層的穩(wěn)定：主要采用流水作為約束層，光束相對(duì)工件的移動(dòng)方向避開流水流動(dòng)方向可有益于水簾的補(bǔ)充，葉片邊緣引入導(dǎo)流層可以保證水流穩(wěn)定。

（3）吸收層材料采用塑性較好的鋁箔膠帶，及時(shí)檢測(cè)吸收層的破損以避免激光燒蝕靶材。

（4）采用雙面強(qiáng)化工藝，以減小葉片型面變形；通過在線質(zhì)量控制技術(shù)，保證強(qiáng)化過程穩(wěn)定的質(zhì)量。

[1]王健，鄒世坤，譚永生.激光沖擊處理技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用[J].應(yīng)用激光，2005，25（1）：32-34.

[2]曹子文，鄒世坤，劉方軍，等.激光沖擊處理1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼[J].中國(guó)激光，2008，35（2）：316-320.

[3]Perozek P M, Lawrence W L . Reducing Electromagnetic Feedback During Laser shock Peening [P].U.S. Patent,6917012B2, Jul. 12, 2005.

[4]Westley J A,Jones D,Andrews I.Laser Shock Peeing[P].U.S.Patent,7137282B2,Nov.21,2006.

[5]Clauer A H,Toller S M,Dulaney J L.Beam Path Clearing for laser peening[P].U.S.Patent,6521860B2,Feb.18,2003.

[6]Lawrence W L,Perozek P M.Reduced Mist Laser Shock Peening[P].U.S.Patent,6713716B1,Mar.30,2004.

[7]Dykes S E,Claure A H,Dulaney J L,et al.Overlay Control for Laser Peening[P].U.S.Patent,6548782B2,Apr.15,2003.

[8]Dykes S E,Claure A H,Dulaney J L,et al.Overlay control for Laser Peening[P].U.S.Patent,6841755,Nov.20,2003.

[9]IIardi, J M, Schwartzkopf G. Cleaning Water Substrates of Metal Contamination While Maintaining Wafer Smoothness [P]. U.S.Patent, 5498293,Mar.12,1996.

[10]Trantow R L,Bashyam M.Determination of Rayleith Wave Critical Angle[P].U.S.Patent,5987991,Nov.23,1999.

[11]Trantow R L . Ultrasonic Multi- transducer Rotatable Scanning Apparatus and Method of Use Thereof [P]. U.S.Patent,5974889, Nov.2,1999.

[12]Sokol D W ,Walters C T, Epstein H M, et al. Quality Control Plasma Monitor for Laser Shock Processi ng [P]. U.S.Patent,6254703,Nov. 29,2001