高 偉，郭穎濤，南 凱

(1.駐西安地區(qū)某軍事代表室，西安 710021；2.駐寶雞地區(qū)某軍事代表室，陜西寶雞 721000)

1 引言

渦輪葉片制造時，其零件毛坯上通常留有基本余量，且一般采用機械方法去除。由于機械方法自身的缺陷，在零件表面層一般會出現(xiàn)斷裂源，并且可觀察到大的塑形變形、組織和材料力學性能的改變及殘余應力的形成，這些因素對疲勞極限有顯著影響。作為渦輪葉片的常用材料，鎳基高溫合金即使在最佳切削條件以及刀具刃磨情況下，塑性變形層深度可達50～200 μm，在一些特殊情況(如違反加工工藝或更換刀具不及時)下，變形層的深度則可能更大，進一步增大了殘余應力。殘余應力一般分為表面拉伸殘余應力和表面壓縮殘余應力。多數(shù)試驗結果證明，表面壓縮殘余應力能提高材料的抗接觸疲勞磨損能力，但表面拉伸殘余應力會降低材料的疲勞磨損壽命[1]。消除殘余應力的方法有自然時效法、熱處理法、振動時效法、超聲波沖擊法和噴丸處理法，其中噴丸處理在表面強化中使用較為廣泛。國外，空客A380飛機的部分零件采用了羅斯勒公司的噴丸強化工藝并取得了較好的效果[2]，歐洲Ariane火箭利用噴丸成型技術制造壁板[3]。國內(nèi)，王曉陽等[4]研究了旋片噴丸強化對2024鋁合金預拉伸板的疲勞性能的影響，張少平等[5]就噴丸強化對TC17 鈦合金表面完整性及疲勞壽命的影響進行了研究，并取得了很好的成果。但傳統(tǒng)噴丸強化方法會使受噴表面變得粗糙，致使其應用受到了一定限制，需要發(fā)展一種新型的強化處理方式。

激光沖擊強化(LSP)是一種利用激光沖擊波對材料表面進行改性，以提高材料的抗疲勞、磨損和應力腐蝕等性能的技術。與一般用于材料改性處理的經(jīng)典方法如鍛打、噴丸強化、冷擠壓相比，激光沖擊強化處理具有非接觸、無熱影響區(qū)、指向性好及強化效果顯著等突出優(yōu)點[6-8]，已得到航空制造業(yè)的高度重視[9-12]。本文針對渦輪葉片榫齒部位的加工殘余應力，提出一種使用水下激光沖擊強化處理的方法，并通過試驗對激光強化后渦輪葉片的殘余應力進行對比分析，以期為工程實際中的渦輪葉片強化提供試驗基礎。

2 激光沖擊工藝方案

2.1 水下激光沖擊強化設備

渦輪葉片伸根段轉接R 槽容易出現(xiàn)裂紋，需要對R 槽及其附近區(qū)域進行激光沖擊強化，提高其疲勞性能。由于R槽處型面復雜(圖1)，施加水約束層時易造成水幕厚度不均，影響強化質量。從圖2(圖中相對壓力為示波器采集的電壓信號積分后的壓力信號)有無水約束層時沖擊波的壓力信號可看出，有水約束層時沖擊波的峰值和脈寬分別是無水約束層時的10 倍、2 倍。此外，如果水幕厚度不均，將會導致激光經(jīng)過水層時發(fā)生匯聚，造成能量分布不均，影響強化效果。為此，專門針對渦輪葉片R 槽等溝槽類部件，提出了水下激光沖擊強化方式。

圖1 渦輪葉片結構示意圖Fig.1 A schematic diagram of turbine blade

圖2 有無水約束層時的沖擊波壓力信號Fig.2 Shock wave pressure signal with and without water constrained layer

圖3 YLSS-05A型激光沖擊強化設備Fig.3 YLSS-05A shock peening system

圖4 SGH-60型激光器Fig.4 SGH-60 laser system

YLSS-05A型激光沖擊強化設備(圖3)主要由激光器、反射透鏡組、機器人、水槽和水下沖擊夾具組成。試驗所用的SGH-60型激光器如圖4所示，具有光束質量好、可靠性高等特點，且可通過RS232接口連接計算機進行控制。機器人選用高精度五自由度框架式，采用伺服電機驅動，精度高、響應快。水下沖擊夾具安裝在機器人臂的前端，與機器人配合使用可實現(xiàn)夾持工件在水中穩(wěn)定自由運動。使用編制的軟件通過控制系統(tǒng)協(xié)調機器人的運動以及激光脈沖的發(fā)射，即可完成沖擊強化過程。

渦輪葉片的強化區(qū)域為葉片伸根段轉接R 槽處。該槽寬度小于3.0 mm，必須采用小光斑激光器強化，且沖擊時要保證沖擊軌跡平行于槽。為此，專門設計了帶角度微調裝置的葉片夾具(圖5)—由V形槽、第一平臺、第二平臺和螺栓組成。第一平臺用于放置葉片，第二平臺起支撐作用，第一、第二平臺與V 形槽配合使用，可保證葉片與夾具緊密配合。夾具采用有機玻璃材料制造，以防止碰傷葉片表面。兩個突出的螺栓用于安裝壓緊板，將葉片牢固地安裝在夾具上。此外，該夾具針對R 槽處在激光沖擊強化過程中難以調平的問題，專門設計了位于左下端的調平旋鈕，以實現(xiàn)對葉片角度的微調，從而使激光沖擊的軌跡完整覆蓋并平行于R槽。

圖5 渦輪葉片夾具Fig.5 The experimental fixture of turbine blade

2.2 涂層/約束層

涂層的作用主要是保護工件不被激光灼傷并增強對激光能量的吸收，目前常用的涂層材料有黑漆、鋁箔等。由于黑漆很難保證涂覆均勻，且涂覆后需長時間干燥，加之沖擊強化后的殘余物不易去除，故選用涂覆方便、去除快捷的鋁箔作為涂層。涂層厚度0.1 mm，可有效保護葉片不受激光灼傷。

約束層的作用是約束等離子體的膨脹從而提高沖擊波的峰值壓力，以及通過對沖擊波的反射延長其作用時間。由于水相比其他固體約束層能更好地適應零件的復雜型面，且對試驗所用激光透明，故選用水作為約束層，厚度約2.0 mm。

2.3 激光參數(shù)

SGH-60型激光器發(fā)射的激光波長為1 064 nm，利用非線性晶體在強激光作用下的二次非線性效應，可將1 064 nm 的非可見激光轉換為波長為532 nm的綠光。相對于1 064 nm的激光，532 nm的綠光可減少水對激光能量的吸收，有利于激光能量的有效利用。采用532 nm 的綠光對渦輪葉片做激光沖擊強化處理，激光器脈寬約為10 ns，脈沖能量在0.5～5.0 J范圍內(nèi)可調，重復頻率為1～5 Hz。

渦輪葉片伸根段轉接R 槽的槽底尺寸為21.0 mm×2.0 mm，兩側光滑過渡。沖擊強化過程中激光光斑必須能完全覆蓋R 槽部位，該部位的結構尺寸要求激光光斑聚焦到直徑1.2～1.6 mm 范圍。根據(jù)Fabbro等[11]提出的激光沖擊強化過程中激光與材料的相互作用和沖擊波壓力估算模型，材料強化所需的激光功率密度門檻值約為2.0 GW/cm2。在脈寬10 ns、光斑直徑1.2～1.6 mm、激光器能量1.2～1.5 J的條件下，可以滿足沖擊強化功率密度的要求。渦輪葉片葉盆和葉背榫槽結構復雜，難以采用雙面同時對沖的方式，只能采用單面沖擊的方式先后對葉背、葉盆的R槽進行處理。由于葉片伸根段厚度較大(＞6.0 mm)，單面沖擊誘導的殘余應力和塑性變形不會引起R槽宏觀變形。

2.4 應力分布控制

由于渦輪葉片伸根段轉接R 槽槽底面積很小，若采用同一激光功率密度進行處理，容易造成槽底上、下邊緣倒圓處形成應力突變和應力集中，以及強化過程中R槽上、下邊緣處吸收保護層破裂。為此，對槽底應力分布進行合理控制，確保槽底應力均勻分布，消除應力突變，在R槽底部(中心區(qū))和上、下邊緣(過渡區(qū))分別采用1.2～1.5 J、0.5～0.8 J 的能量參數(shù)，如圖6所示。經(jīng)多次試驗驗證，這種組合參數(shù)下不會發(fā)生鋁箔破裂；帶R 槽模擬件的振動疲勞性能對比試驗也證實參數(shù)選擇合理有效。

圖6 中心區(qū)和過渡區(qū)能量設置示意圖Fig.6 Laser shock peening areas for center and transition part

3 試驗結果與分析

采用X射線衍射法對試片激光沖擊強化后鎳基高溫合金表面的殘余應力進行測試對比。測試設備為邯鄲愛特斯應力技術有限公司的X-350A型X射線衍射儀。試驗執(zhí)行GB/T 7704-2017[13]標準，測量方法為側傾固定ψ法，定峰方法為交相關法。測試過程中管電壓為27 kV，管電流為6 mA，Cr-Kα輻射；測試晶面為Ni(220)衍射面；2θ 掃描范圍136°～125°，掃描步距0.1°，時間常數(shù)2 s；ψ角0°～45°；應力常數(shù)675 MPa/(°)。測試結果如圖7 所示?？梢?，激光功率密度增加與表面殘余應力變化不是線形關系。當功率密度大于2.5 GW/cm2且小于7.5 GW/cm2時，隨著功率密度的增加，表面殘余應力相應增加；當功率密度大于10.0 GW/cm2后，表面殘余壓應力隨功率密度的增加而明顯降低。此外，在功率密度等于7.5 GW/cm2時，表面殘余應力為-419.5 MPa。這表明對于渦輪葉片材料，在小光斑激光器功率密度選擇范圍內(nèi)，7.5 GW/cm2是其較適宜的激光功率密度。

圖7 不同功率密度對K417鎳基高溫合金表面殘余應力的影響Fig.7 Effect of different power density on surface residual stress of K417 nickel base superalloy

4 結論

提出一種利用水下激光沖擊強化處理渦輪葉片榫齒部位加工殘余應力的方法。該方法專門針對渦輪葉片伸根段轉接R 槽等溝槽類部件，對消除此種結構部件的拉伸殘余應力，以及預防渦輪葉片在結構復雜部位的疲勞斷裂具有重要意義。激光沖擊強化功率密度直接影響表面殘余應力，當功率密度為7.5 GW/cm2時，葉片表面殘余應力為最佳。