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(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，株洲 412000）

常用的表面改性方法有機(jī)械噴丸、低塑性拋光、滾壓強(qiáng)化和激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)等[1-4]。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)引入的殘余應(yīng)力深度遠(yuǎn)超其他方法，達(dá)到1 mm。殘余應(yīng)力是材料疲勞性能的重要影響因素[5]。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)將高功率密度的脈沖激光轉(zhuǎn)為高壓沖擊波且傳播至金屬內(nèi)部，使得金屬表面塑性變形，形成較大的殘余壓應(yīng)力、細(xì)化的晶粒尺寸和高密度的位錯結(jié)構(gòu)，抑制疲勞和腐蝕的裂紋萌生和擴(kuò)展，顯著提高金屬的力學(xué)性能[6]。

葉片是航空發(fā)動機(jī)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(xiàn)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(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終出現(xiàn)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(qiáng)化技術(shù)可以緩解裂紋的萌生和擴(kuò)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(chǎn)生較大的變形[10]。變形后的葉片空間位置改變，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)內(nèi)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)化葉片后的變形。

盡管在激光沖擊強(qiáng)化處理工藝領(lǐng)域內(nèi)國內(nèi)外的科研人員已取得相當(dāng)?shù)难芯砍晒请y以實施在類似于發(fā)動機(jī)葉片的復(fù)雜薄壁部件。這類部件經(jīng)過激光沖擊處理發(fā)生變形，降低了其實際應(yīng)用性。對整體葉輪葉片前緣區(qū)域進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化時，可采用雙激光束沖擊方式預(yù)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(diào)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(qiáng)化處理的區(qū)域。本文基于激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)，確定葉片前緣區(qū)域的斜沖擊參數(shù)，研究雙激光束斜沖擊整體葉輪殘余應(yīng)力分布和變形控制。

1 實驗設(shè)備

激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備為美國LSPT公司設(shè)計生產(chǎn)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(jìn)的第三代激光器。激光器功率大于200 W，脈沖能量可調(diào)范圍為5～10 J，脈沖寬度可調(diào)范圍為8～22 ns，8 h內(nèi)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(yīng)力測量采用設(shè)備為邯鄲愛斯特公司生產(chǎn)的XL-640 X射線應(yīng)力測試儀。測試原理為X射線衍射，可以測量材料內(nèi)部的應(yīng)力和晶體結(jié)構(gòu)。實驗中，整體葉輪材質(zhì)為TC4鈦合金，采用傾測固定Ψ法及相關(guān)法進(jìn)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(shù)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(zhuǎn)臺”方案。青島?？怂箍倒旧a(chǎn)的AICON像素最高達(dá)1 600萬，最高精度為4 μm，可實現(xiàn)自動化操作。設(shè)備放在工件側(cè)面，通過單軸轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)。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(diào)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(qiáng)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(shè)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(diào)整姿態(tài)至工作位置，如圖2所示。調(diào)整待沖擊葉片近乎垂直于雙光束平面，選用低能量參數(shù)，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(shè)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(shè)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(shè)定程序4。調(diào)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(diào)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(shè)置程序1～程序4

2.2 實驗結(jié)果

整體葉輪葉片前緣沖擊強(qiáng)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(yīng)力測試儀，獲取每個測量點的平均殘余應(yīng)力值。將距葉根最遠(yuǎn)處設(shè)置為起點，距葉根最近處設(shè)置為終點，然后繪制如圖8所示的應(yīng)力分布圖。測量結(jié)果表明：距葉根最遠(yuǎn)處的殘余壓應(yīng)力最大，為-295.6 MPa；最小殘余壓應(yīng)力為-427.6 MPa，距葉根處較近；殘余壓應(yīng)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(shè)置

圖8 葉片應(yīng)力分布

整體葉輪葉片沖擊強(qiáng)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(yán)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(diào)整激光沖擊參數(shù)來調(diào)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(jìn)方案

3.1 改進(jìn)方案1

3.1.1 方案設(shè)置

為了進(jìn)一步控制激光沖擊強(qiáng)化葉片后的變形量，在實驗測量的基礎(chǔ)上，提出對已變形葉片進(jìn)行單束激光沖擊強(qiáng)化反向矯形。為了與雙面激光沖擊強(qiáng)化變形量對比，選擇與雙面激光沖擊強(qiáng)化時相同的單束激光參數(shù)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(jié)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(chǔ)上由0.479 mm增加到0.579 mm，如圖12所示。實驗結(jié)果表明，本次矯形的激光參數(shù)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(shè)定錯誤，激光應(yīng)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(jìn)方案2

3.2.1 方案設(shè)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(zhǔn)確性。為了提高整體葉輪夾具固定的一致性，設(shè)計新的底部固定工裝。與機(jī)器人連接處增加兩處銷孔定位，保證工裝安裝位置重復(fù)一致。零件底座與工裝水平貼合，避免原有工裝底座在重復(fù)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(chǔ)上，初步嘗試通過減小激光光斑面積來調(diào)控沖擊波壓力，進(jìn)而控制葉片的變形量。激光沖擊強(qiáng)化寬度設(shè)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(jié)果

通過減小激光光斑面積來初步調(diào)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(jié)果證明，可以通過減小激光光斑面積來調(diào)控沖擊波壓力，從而控制葉片變形。但是，激光沖擊強(qiáng)化寬度為2.5 mm， 需要進(jìn)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(jìn)方案3

3.3.1 方案設(shè)置

在實驗測量的基礎(chǔ)上，增加激光沖擊強(qiáng)化區(qū)域面積，激光沖擊強(qiáng)化寬度設(shè)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(jié)果

通過減小激光光斑面積來調(diào)控沖擊波壓力，增加激光沖擊強(qiáng)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(jié)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(shù)可知，相同的激光沖擊強(qiáng)化區(qū)域面積可以選用較小面積的光斑、較多的沖擊次數(shù)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(jié)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(shù)，研究雙激光束斜沖擊整體葉輪殘余應(yīng)力分布和變形控制。實驗結(jié)果表明，整體葉輪葉片前緣區(qū)域經(jīng)過雙激光束斜沖擊強(qiáng)化處理后，殘余壓應(yīng)力最大為-295.6 MPa，殘余壓應(yīng)力最小為-427.6 MPa， 強(qiáng)化效果較好，但是強(qiáng)化后變形較大。強(qiáng)化變形調(diào)控可以采用小光斑、多次沖擊的方式，結(jié)合單束矯形進(jìn)行實施。