雙激光束斜沖擊整體葉輪葉片研究

瞿祥明 張永康 吳清源 郭小軍 汪文君 劉建新

（1.廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣州 510006；2.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，株洲 412000）

常用的表面改性方法有機械噴丸、低塑性拋光、滾壓強化和激光沖擊強化技術等[1-4]。激光沖擊強化技術引入的殘余應力深度遠超其他方法，達到1 mm。殘余應力是材料疲勞性能的重要影響因素[5]。激光沖擊強化技術將高功率密度的脈沖激光轉為高壓沖擊波且傳播至金屬內部，使得金屬表面塑性變形，形成較大的殘余壓應力、細化的晶粒尺寸和高密度的位錯結構，抑制疲勞和腐蝕的裂紋萌生和擴展，顯著提高金屬的力學性能[6]。

葉片是航空發(fā)動機的精密部件之一，服役性能要求較高[7]。葉片工作環(huán)境惡劣，空氣中微小顆粒會使葉片出現凹坑、鼓包和微裂紋等缺陷，在高頻循環(huán)載荷作用下極易導致裂紋的萌生和擴展，最終出現葉片中間斷裂等問題。這不僅會削弱葉片的使用性，也會降低飛行的可靠性[8]。激光沖擊強化技術可以緩解裂紋的萌生和擴展速率，延長服役時限[9]。但是，葉片較薄，前緣處小于1 mm，在極高的激光沖擊作用下會產生較大的變形[10]。變形后的葉片空間位置改變，會導致發(fā)動機內部氣流紊亂，極大地降低了飛行的安全性，縮短了工作時限[11]。航空發(fā)動機葉片的性能和空間形位精度要求較高，但是激光沖擊處理難以同時滿足這兩方面需求，因此在激光沖擊強化處理工藝中必須慎重考慮變形的影響因素，以有效抑制強化葉片后的變形。

盡管在激光沖擊強化處理工藝領域內國內外的科研人員已取得相當的研究成果，但是難以實施在類似于發(fā)動機葉片的復雜薄壁部件。這類部件經過激光沖擊處理發(fā)生變形，降低了其實際應用性。對整體葉輪葉片前緣區(qū)域進行激光沖擊強化時，可采用雙激光束沖擊方式預防沖擊后的變形。整體葉輪空間狹小，因此雙激光束難以垂直入射，需要調整激光入射角度，才能保證激光能夠照射到葉片前緣待沖擊強化處理的區(qū)域。本文基于激光沖擊強化系統(tǒng)，確定葉片前緣區(qū)域的斜沖擊參數，研究雙激光束斜沖擊整體葉輪殘余應力分布和變形控制。

1 實驗設備

激光沖擊強化設備為美國LSPT公司設計生產的PROCUDO200激光噴丸系統(tǒng)。激光器采用二極管泵浦脈沖YLF，是最先進的第三代激光器。激光器功率大于200 W，脈沖能量可調范圍為5～10 J，脈沖寬度可調范圍為8～22 ns，8 h內能量變化不高于5%，脈沖能量及寬度穩(wěn)定性高。激光束為空間分布均勻的環(huán)形平頂光束，激光光斑直徑范圍為1～8 mm，工作頻率為1～20 Hz，激光波長為1 053 nm。

殘余應力測量采用設備為邯鄲愛斯特公司生產的XL-640 X射線應力測試儀。測試原理為X射線衍射，可以測量材料內部的應力和晶體結構。實驗中，整體葉輪材質為TC4鈦合金，采用傾測固定Ψ法及相關法進行定峰。靶材為CrKα靶，衍射晶面為（213），（1/2）S2為11.68 MPa，衍射峰值2θ范圍為136°～147°，計數時間為10 s，X光管電壓和電流分別為25 kV和6 mA。

整體葉輪曲面形狀測量采用了“AICON掃描儀+ 單軸轉臺”方案。青島海克斯康公司生產的AICON像素最高達1 600萬，最高精度為4 μm，可實現自動化操作。設備放在工件側面，通過單軸轉臺旋轉。測量前，在零件測量部位噴涂提高拍攝效果的鈦粉涂層。通過手動調整攝像頭位置，可以一次性完成測量。

2 實驗

2.1 初始方案

激光沖擊強化區(qū)域選擇整體葉輪葉片前緣5 mm寬度區(qū)域，并選擇雙面沖擊控制沖擊變形。激光能量為7.6 J， 單束能量為3.8 J，脈寬為20 ns。激光光斑尺寸方面，長軸為3.3 mm橢圓形光斑，短軸為1.3 mm橢圓形光斑。激光光斑搭接率為30%，斜沖擊，入射角度為60°（如圖1所示），頻率為5 Hz。由于整體葉輪葉片前緣為不規(guī)則曲面，雙面沖擊時將整個區(qū)域分為4個部分，平均每個部分長度在15 mm左右，寬度設定為4 mm。

圖1 雙面激光斜沖擊示意

激光噴丸系統(tǒng)工作流程。首先，裝夾零件，調整姿態(tài)至工作位置，如圖2所示。調整待沖擊葉片近乎垂直于雙光束平面，選用低能量參數，雙光束單點沖擊，如圖3所示，展開膠帶，對比沖擊位置，保證單點沖擊位置重合。雙光束單列無搭接沖擊，如圖4所示，展開膠帶，對比沖擊位置，保證沖擊位置重合。雙光束雙列無搭接沖擊展開膠帶，如圖5所示，對比沖擊位置，保證沖擊位置重合，設定為程序1。將程序1單獨沿垂直、水平方向平移，可以保證光斑搭接率的距離，設定程序2和程序3。將程序1同時沿垂直和水平方向平移，可以保證光斑搭接率的距離，設定程序4。調整涂水姿態(tài)，按程序1～程序4的順序執(zhí)行，如圖6所示。

圖2 整體葉輪姿態(tài)調整

圖3 單點沖擊

圖4 單列沖擊

圖5 展開雙列沖擊膠帶

圖6 設置程序1～程序4

2.2 實驗結果

整體葉輪葉片前緣沖擊強化區(qū)域由葉尖至葉根處，每間隔5 mm取9個測量點，如圖7所示。通過XL-640 X射線應力測試儀，獲取每個測量點的平均殘余應力值。將距葉根最遠處設置為起點，距葉根最近處設置為終點，然后繪制如圖8所示的應力分布圖。測量結果表明：距葉根最遠處的殘余壓應力最大，為-295.6 MPa；最小殘余壓應力為-427.6 MPa，距葉根處較近；殘余壓應力值大致上隨著距葉根的距離減小而增大，但在距葉根最近處反而減小，猜測可能是葉片曲率變化造成的。

圖7 葉片測量點設置

圖8 葉片應力分布

整體葉輪葉片沖擊強化區(qū)域未見明顯宏觀變形，如圖9所示。整體葉輪為高精度部件，必須嚴格控制變形。通過AICON掃描儀獲取激光沖擊整體葉輪葉片前后的3D模型云圖，可知葉根至葉尖處變形量不斷增加，最大變形量為0.479 mm，位于葉片前緣尖角處，如圖10所示。葉片變形量較大，需要調整激光沖擊參數來調整葉片變形量。

圖9 整體葉輪葉片

圖10 整體葉輪葉片AICON掃描前后的模型對比（單位：mm）

3 改進方案

3.1 改進方案1

3.1.1 方案設置

為了進一步控制激光沖擊強化葉片后的變形量，在實驗測量的基礎上，提出對已變形葉片進行單束激光沖擊強化反向矯形。為了與雙面激光沖擊強化變形量對比，選擇與雙面激光沖擊強化時相同的單束激光參數及角度，即單束激光能量為3.8 J，脈寬為20 ns，長軸激光光斑為3.3 mm，短軸激光光斑為1.3 mm橢圓形光斑，激光光斑搭接率為30%，斜沖擊，入射角度為60°（如圖11所示），頻率為5 Hz。

圖11 單面激光斜沖擊示意

3.1.2 實驗結果

矯形單束激光后，通過掃描前后3D模型云圖的對比可知，變形量在原來的基礎上由0.479 mm增加到0.579 mm，如圖12所示。實驗結果表明，本次矯形的激光參數和入射角度，一次矯形的最大變形量在0.1 mm。此次單束矯形入射方向設定錯誤，激光應作用于變形葉片的背面，即向葉片變形的反方向入射激光矯形。

圖12 單束激光矯形前后的模型對比（單位：mm）

3.2 改進方案2

3.2.1 方案設置

整體葉輪屬于高精度部件。它安裝位置的一致性會影響激光沖擊光斑作用區(qū)域的準確性。為了提高整體葉輪夾具固定的一致性，設計新的底部固定工裝。與機器人連接處增加兩處銷孔定位，保證工裝安裝位置重復一致。零件底座與工裝水平貼合，避免原有工裝底座在重復固定零件時水平位置不一致。此外，增加檔位塊與零件底部榫齒卡合定位，如圖13所示。

圖13 底部固定的工裝

在實驗測量的基礎上，初步嘗試通過減小激光光斑面積來調控沖擊波壓力，進而控制葉片的變形量。激光沖擊強化寬度設置為2.5 mm，雙面激光沖擊，激光能量為7.6 J，單束能量為3.8 J，脈寬為20 ns，長軸激光光斑為2.3 mm橢圓形光斑，短軸激光光斑為1.1 mm橢圓形光斑，激光光斑搭接率為30%，斜沖擊，入射角度為60°（如圖1所示），頻率為5 Hz。

3.2.2 實驗結果

通過減小激光光斑面積來初步調控沖擊波壓力嘗試，如圖14所示。通過掃描前后3D模型云圖對比可知，前緣尖端變形量最大，為0.146 mm。實驗結果證明，可以通過減小激光光斑面積來調控沖擊波壓力，從而控制葉片變形。但是，激光沖擊強化寬度為2.5 mm， 需要進一步增加激光沖擊區(qū)域。

圖14 小光斑沖擊嘗試的模型對比（單位：mm）

3.3 改進方案3

3.3.1 方案設置

在實驗測量的基礎上，增加激光沖擊強化區(qū)域面積，激光沖擊強化寬度設置為5 mm。雙面激光沖擊，激光能量為7.6 J，單束能量為3.8 J，脈寬為20 ns，長軸激光光斑為2.3 mm橢圓形光斑，短軸激光光斑為1.1 mm橢圓形光斑，激光光斑搭接率為30%，斜沖擊，入射角度為60°（如圖1所示），頻率為5 Hz。

3.3.2 實驗結果

通過減小激光光斑面積來調控沖擊波壓力，增加激光沖擊強化區(qū)域面積，如圖15所示。通過掃描前后3D模型云圖對比可知，前緣尖端變形量最大，為0.214 mm。與初始方案實驗結果相比，最大變形量由0.479 mm減小至0.214 mm，變形量減小一半左右。對比兩次方案實驗參數可知，相同的激光沖擊強化區(qū)域面積可以選用較小面積的光斑、較多的沖擊次數來減少葉片的變形量。

圖15 小光斑、多次沖擊的模型對比（單位：mm）

4 結語

基于PROCUDO200激光噴丸系統(tǒng)，確定葉片前緣區(qū)域的斜沖擊參數，研究雙激光束斜沖擊整體葉輪殘余應力分布和變形控制。實驗結果表明，整體葉輪葉片前緣區(qū)域經過雙激光束斜沖擊強化處理后，殘余壓應力最大為-295.6 MPa，殘余壓應力最小為-427.6 MPa， 強化效果較好，但是強化后變形較大。強化變形調控可以采用小光斑、多次沖擊的方式，結合單束矯形進行實施。