CN1786211A - 夹带封闭介质的激光冲击喷丸硬化处理涂层 - Google Patents

夹带封闭介质的激光冲击喷丸硬化处理涂层 Download PDF

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Abstract

用于激光喷丸硬化处理制品表面的一种整体激光冲击喷丸硬化处理涂层包括：与洁净外壳层相隔开的烧蚀介质层，以及位于其间的洁净液态封闭介质，其中所述洁净对于用于进行激光冲击喷丸硬化处理的激光束而言是透明的。洁净液态封闭介质的两个实施例是水和水与琼脂的混合物，封闭流体帘不会在激光束发射到的所述表面上流过。该整体激光冲击喷丸硬化处理涂层可以是一个具有粘结层的带，该粘结层设置在第一侧面的烧蚀介质层上。一种激光冲击喷丸硬化处理方法包括：用整体激光冲击喷丸硬化处理涂层对制品的基体进行喷涂，以及发射具有足够大功率的激光束到涂层基体上，以形成一个延伸进入基体内的具有深度残余压应力的区域。

Description

夹带封闭介质的激光冲击喷丸硬化处理涂层
技术领域
本发明涉及激光冲击喷丸硬化处理，尤其涉及一种激光冲击喷丸硬化处理涂层及其方法。
背景技术
激光冲击喷丸硬化处理(LSP)或激光冲击工艺，其也被认为是一种用于产生具有深度残余压应力区域的工艺，该压应力是由于激光冲击喷丸硬化处理制品的表面而获得的。激光冲击喷丸硬化处理一般采用一种或多种高低功率脉冲激光器的辐射脉冲，以使在制品的表面产生一种强冲击波，与美国专利No.3,850,698，发明名称为《改变材料性能》；美国专利No.4401477，发明名称为《激光冲击工艺》以及美国专利No.5,131,957，发明名称为《材料性能》中所公开的方法相似。激光冲击喷丸硬化处理，如同在技术范围内的理解和在此所采用的，是利用源自一个激光束源的脉冲激光束，通过该表面的薄层或在形成等离子体的表面上的涂层(如带或涂料)的一种瞬时烧蚀或蒸发，以使在激光束的碰撞点产生***力，从而在某一表面的一部分上产生强大的局部的压缩力。
在燃气涡轮发动机领域，激光冲击喷丸硬化处理具有很多应用，其中一些应用在以下专利中公开：即美国专利：No.5,756,965，发明名称为“空中激光冲击喷丸硬化处理”；No.5,591,009，发明名称为“激光冲击喷丸硬化处理的燃气涡轮发动机风机叶片边缘”；No.5,531,570，发明名称为“用于激光冲击喷丸硬化处理的燃气轮机压缩机叶片边缘的形变控制”，No.5,492,447，发明名称为“激光冲击喷丸硬化处理的用于涡轮机械的转子部件”；No.5674329，发明名称为“覆有粘结带的激光冲击喷丸硬化处理”；以及No.5674328，发明名称为“覆有干带的激光冲击喷丸硬化处理”，上述所有的专利均已被转让给了本发明的受让人。
人们采用了约20-约50焦耳的高能激光束，或约3-约10焦耳的低能激光束，并预期采用其它能量水平的激光束。例如参见美国专利No.5674329(Mannava等)，授权日为1997年10月7日(采用高能激光的LSP工艺)，以及美国专利No.5932120(Mannava等)，授权日为1999年8月3日(采用低能激光的LSP工艺)。可以通过使用不同的激光材料，如掺钕的钇铝石榴石(NdYAG)，Nd:YLF，以及其它物质产生低能激光束。激光冲击喷丸硬化处理工艺一般采用流过该制品的水帘或其它封闭液体介质或其它方法，以使提供一种等离子体封闭介质。这种介质可使等离子体迅速达到冲击波的压力，这种压力产生构成LSP效果的塑性变形以及相关的残余应力方式。水帘提供封闭的介质，以限制并引导工艺产生的冲击波进入LSP`D的部件的大块材料内，以产生有利的残余压应力。为了一些应用而传送流水是不可能的，原因为空间限制或者部件的几何形状。美国专利No.6677037，发明名称“激光冲击喷丸硬化处理带、方法及制品”；No.5674329发明名称“覆有粘结带的激光冲击喷丸硬化处理”，以及No.5674328，发明名称为“覆有干带的激光冲击喷丸硬化处理”，上述所有的专利都转让给了本发明的受让人，上述专利描述了用于LSP工艺的不同的涂层以及封闭介质，包括流动的水帘或洁净的封闭材料的分离板。为一些应用而传送流水并不总是可能的，这是因为空间限制或激光冲击喷丸硬化处理的部件的几何结构。包装封闭介质并将该包装附接到部件上以获得所需的LSP效果是令人期待的。
发明内容
一种整体激光冲击喷丸硬化处理涂层包括：与洁净外壳层相隔开的烧蚀介质层，以及位于其间的洁净液态封闭介质。所述洁净对于用于进行激光冲击喷丸硬化处理的激光束而言是透明。水或水与琼脂的混合物都是合适的洁净液态封闭介质的例子。该整体激光冲击喷丸硬化处理涂层可以是一种带(tape)，其中烧蚀介质层具有相对的第一和第二侧面，粘结层布置在第一侧面上，而洁净液态封闭介质被洁净外壳层截留在第二侧面。该整体激光冲击喷丸硬化处理涂层可以用在准备进行激光冲击喷丸硬化处理的制品上，在该制品的基体上喷涂有整体激光冲击喷丸硬化处理涂层。
一种激光冲击喷丸硬化处理制品的方法，包括：对制品基体的激光冲击喷丸硬化处理表面喷涂整体激光冲击喷丸硬化处理涂层。该整体激光冲击喷丸硬化处理涂层包括与洁净外壳层相隔开的烧蚀介质层。洁净液态封闭介质被置于整体激光冲击喷丸硬化处理涂层和烧蚀介质层之间。所述洁净对于用于进行激光冲击喷丸硬化处理的激光束而言是透明。发射具有足够大功率的激光束到涂层基体上，以气化至少一部分形成具有深度残余压应力区域的烧蚀介质层，该烧蚀介质层从激光冲击喷丸硬化处理表面延伸进入基体内。该发射步骤包括：在相对恒定的周期中，向涂层基体上发射具有重复脉冲的激光，与此同时在激光束与制品之间提供连续的运动。
附图说明
图1是采用整体激光冲击喷丸硬化处理涂层及其方法的典型实施方式进行激光冲击喷丸硬化处理的燃气涡轮发动机风机叶片的透视图。
图2是图1所示风机叶片的剖视图。
图3是图1所示叶片的透视示意图，该叶片涂有整体激光冲击喷丸硬化处理涂层并被安装在一个激光冲击喷丸硬化处理***内。
图4是在图3中涂有整体激光冲击喷丸硬化处理涂层的叶片的局部剖视图以及以局部示意图，该涂层是经过激光冲击喷丸硬化处理的。
图5是在激光冲击喷丸硬化处理表面上的一种激光冲击喷丸硬化处理圆点图案的示意图。
图6是具有4个序列的激光冲击喷丸硬化处理圆点的特定图案的示意图。
具体实施方式
如图1、2和3所示，风机叶片8具有由钛合金制成的翼面34，其从叶片平台36径向向外延伸到叶片顶端38。风机叶片8是一种具有硬质金属基体10的制品12的典型代表，在该基体10上施加整体激光冲击喷丸硬化处理涂层57以及采用与激光冲击喷丸硬化处理相同的方法。在基体10的激光冲击喷丸硬化处理表面54上涂有整体激光冲击喷丸硬化处理涂层57，其包括与洁净外壳层66相隔开的烧蚀介质层64以及位于其间的洁净液态封闭介质68。该洁净液态封闭介质68作为截留在烧蚀介质层64和洁净外壳层66之间的封闭层。
正图中所示出的，整体激光冲击喷丸硬化处理涂层57的典型实施例是一条带59，在该带中烧蚀介质层64具有相对的第一和第二侧面71和73。粘结层60设置在第一侧面71上以及洁净液态封闭介质68被截留在烧蚀介质层64的第二侧面73上。透明塑料，如乙烯基化合物可被用于洁净外壳层66。
整体激光冲击喷丸硬化处理涂层57可以薄膜或带59的形式存在。如果它以带的形式存在，那么该涂层包括自粘性的粘结层60。如果该整体激光冲击喷丸硬化处理涂层57以薄膜的形式存在，那么在施加整体激光冲击喷丸硬化处理涂层57之前可以将合适的粘结材料直接施加到激光冲击喷丸硬化处理表面54上。建议用于烧蚀和洁净外壳层的材料包括塑料，如乙烯基塑料薄膜，其中该烧蚀介质可以着黑色，而外壳层可以是透明颜料。应相对于冲击喷丸硬化处理表面54摩擦或压实该薄膜或带，以去除可能留在烧蚀层和激光冲击喷丸硬化处理表面之间的气泡。整体激光冲击喷丸硬化处理涂层57涂覆在基体10上以形成激光冲击喷丸硬化处理喷涂表面55。
图1、2所示出的是一种典型飞机透平风扇燃气涡轮发动机风机叶片8的示意图，其采用整体激光冲击喷丸硬化处理涂层57的激光冲击喷丸硬化处理。该风机叶片8包括一个从叶片平台36径向向外延伸至叶片顶端38的翼面34。该风机叶片8包括一个根部40，所述根部40从平台36向内沿径向延伸至根部40的沿径向向内的端部37。在根部40的沿径向向内的端部37处是一个叶片根部42，它通过叶片柄部44与平台36相连。翼面34沿弦线方向在导边LE和翼面的尾边TE之间延伸。如在图2所示的叶片的每个剖面图中，翼面34的弦C是位于导边LE和尾边TE之间的线。翼面34的压力侧46大致朝向箭头V所示的转动方向且吸入侧48位于翼面的另一侧，并且中线ML大致设置在线弦方向上两面之间的中间位置。
风机叶片8具有导边和尾边部分50和70，所述部分分别自叶片平台36沿着翼面34的导边和尾边LE和TE向叶片顶部38延伸。该导边和尾边部分50和70分别包括第一和第二宽度W1和W2，以使得该导边和尾边部分50和70围绕缺口52，并且沿翼面34的导边和尾边可能产生撕裂。由于在发动机工作时风机叶片8旋转产生离心力，因此翼面34是经受显著的拉应力场的区域。翼面34还承受在发动机工作时产生的震动力，并且缺口52和裂纹作为高周疲劳应力的产生原因，在其周围产生附加的应力集中。
为了克服叶片上的某些部分沿可能的裂缝线发生疲劳失效，所述裂纹线可自缺口和裂痕处发展和扩散，压力侧46和吸入侧48至少一个并且优选二个都具有激光冲击喷丸硬化处理表面54和具有深度残余压应力的预应力区56，该深度残余压应力由激光冲击喷丸硬化处理(LSP)所产生并如图2所示从激光冲击喷丸硬化处理表面延伸进入翼面34。优选地，预应力区56在沿翼面弦方向到整个宽度W1和W2的范围内与导边和尾边50和70共同延伸，并且伸入翼面34足够深以接合至少部分的宽度。预应力区56显示为与导边部分50在径向方向沿导边LE共同延伸，但可能更短。
如图3、4所示，该叶片8被安装在机械臂28中，该机械臂用来移动和定位该叶片以实现“在空中”激光冲击喷丸硬化处理。本发明被示出用于激光冲击喷丸硬化处理导边部分50，根据本发明的实施例，如激光冲击喷丸硬化处理表面54所显示的那样，该表面被具有重叠的激光冲击喷丸硬化处理圆点58的整体激光冲击喷丸硬化处理涂层57所涂覆。粘结带59的层是整体激光冲击喷丸硬化处理涂层57的代表，该涂层也可能以薄膜的形式存在。
如图4所示，激光冲击喷丸硬化处理设备1包括一个具有发生器31的激光束设备，所述发生器带有一个振荡器和一个前置放大器以及一个分束器，所述分束器将前置放大的激光束送入两条射束传送光路，每条射束传送光路分别具有第一和第二放大器30和32；和包括光学元件的光学器件35，所述光学元件将光束2传递并聚焦在激光冲击喷丸硬化处理涂覆表面55和整体激光冲击喷丸硬化处理涂层57上。可以使用控制器24调节和控制激光束设备，以将激光束2以受控的方式发射到激光冲击喷丸硬化处理涂覆表面55上。
在预压应力区56中由该激光束冲击所产生的深度残余压应力通常为约50-150KPSI(千磅每平方英寸)，并从激光冲击喷丸硬化处理表面54延伸到激光冲击所产生的残余压应力区约20-50密耳的深度。由该激光束冲击所产生的深度残余压应力通过反复发射高能量的激光束2产生，所述高能量激光束相对于激光冲击喷丸硬化处理涂覆表面55散焦数密耳。激光束2一般具有千兆瓦/厘米2的大小级别的峰值功率密度，并且发射时不采用流动水帘或其它流体帘，在现有技术中水或其它流体流过涂覆表面55。烧蚀介质被烧蚀以产生等离子体，其导致材料表面产生冲击波。这些冲击波通过洁净液态封闭介质68或封闭层朝着激光冲击喷丸硬化处理表面54改向，从而在激光冲击喷丸硬化处理表面54下方的材料中产生前进冲击波(压力波)。这些冲击波的振幅和数量决定了压应力的深度和密度。该整体激光冲击喷丸硬化处理涂层57用于保护目标表面、产生等离子体和封闭***并将冲击波导向激光冲击喷丸硬化处理表面54。
如图4所示，该激光可以“在空中”顺序发射，以使喷涂表面55受到多于一个序列的激光冲击喷丸硬化处理。本发明方法的优选实施例包括：连续移动叶片同时连续在带表面发射激光束，以使在不同的序列中击中相邻的激光冲击喷丸硬化处理圆点。然而，可以代替移动激光束只要该激光束和表面之间的相对移动是有效的。在提供在激光束和制品12之间连续运动时，发射具有在相对稳定周期之间的重复脉冲的激光到涂覆基体10上。
图4和图5示出了4个序列S1至S4的激光冲击喷丸硬化处理圆点58的图案(由圆圈表示)。S1序列为实线圆，与其它序列的虚线圆相反，从而示出具有非邻接激光冲击喷丸硬化处理圆点58的特征，该圆点沿着行中心线62具有相应的中心点X。序列图案完全覆盖了激光冲击喷丸硬化处理喷涂表面55。该激光冲击喷丸硬化处理圆点58在覆盖激光冲击喷丸硬化处理圆点58的行74内具有直径D。这种图案也可是覆盖激光冲击喷丸硬化处理喷涂表面55上的冲击喷丸硬化处理圆点的多重覆盖行74。第一覆盖区位于一给定行中的相邻激光冲击喷丸硬化处理圆点58之间并且通常由在相邻的激光冲击喷丸硬化处理圆点58的中心点X之间的第一偏移量O1所限定，并能在直径D的约30％-50％或更大的范围内变化。第二覆盖区位于相邻行中的相邻激光冲击喷丸硬化处理网点58之间并且通常由在相邻行中心线62之间的第二偏移量O2所限定，并能在直径D的约30％-50％之间变化，该直径D取决于具体应用和激光束的强度或流畅度。第三覆盖区以线性偏移量O3的形式存在，该偏移量O3位于在相邻行74中的相邻激光喷丸硬化处理圆点58的中心点X之间，并能在直径D的约30％-50％之间变化，该直径D取决于某一特定的应用。
设计该方法以使得：仅未经使用的带或近未经使用的带被烧蚀，而在翼面表面不会存在任何明显的影响或伤害。这是为了防止甚至是小瑕疵或由于激光而导致的重熔，这种重熔可能会导致对叶片操作产生所不希望的气动影响。可能需要多个序列覆盖整个图案，并且在每个激光发射序列之间进行激光冲击喷丸硬化处理表面54的重涂。激光发射的每一序列具有多重激光发射或者在发射之间有一段时间的激光脉冲，其通常被称为“重复发射(rep)”。在重复发射期间，移动零件以使下一个脉冲出现在下一个激光冲击喷丸硬化处理圆点58的位置处。优选地，使该零件连续运动，并且安排在脉冲或发射激光束到达合适位置的时间。每一序列可以重复一次或多次，以使对各激光冲击喷丸硬化处理圆点58进行多于一次的击打。在每一次发射激光或者激光脉冲中，也可以允许采用更小的激光功率。
图5示出了根据本发明的激光冲击喷丸硬化处理工艺的另一种可选实施例。该工艺可用于激光冲击喷丸硬化处理全部或部分的风机叶片导边，所述工艺采用5行激光冲击喷丸硬化处理圆点并且在4个指定为S1、S2、S3、S4的序列中，覆盖激光冲击喷丸硬化处理表面54的整个面积。激光冲击喷丸硬化处理工艺开始于第一序列，在序列1中每4个点受到激光冲击喷丸硬化处理，与此同时叶片连续移动且激光束被连续发射或脉冲激发以及激光。在一给定的序列如S1中，零件被定时以在相邻激光冲击喷丸硬化处理圆点之间移动。在叶片上的连续激光发射的脉冲之间，该定时与重复脉冲一致。所有5行重复激光冲击喷丸硬化处理圆点58包括以一定距离间隔的每一序列的点，以使其它相同序列的激光冲击喷丸硬化处理圆点不会影响围绕它的带。第一次上浆(taping)先于序列1，图4中以完整或整个圆表示了该序列1，而以点线、单短划线以及双短划线圈分别表示如在序列S2、S3和S4中的其它激光冲击喷丸硬化处理点。在下一个序列以前，如在序列S1与序列S2之间，将对待激光冲击喷丸硬化处理的激光冲击喷丸硬化处理表面54的整个区域进行重新上浆。这一重新上浆程序可以避免任何激光冲击喷丸硬化处理表面的裸露金属直接被激光束击中。对于5行的某一区域覆盖，其具有在行之间和在约30％的相邻点之间存在空间间隔，人们发现一次上浆以及3次重新上浆是必要的，以使零件实际上总共被上浆四次，该工序比被其替代的喷涂和二次喷涂工序快得多且人力和设备的消耗更少。人们发现激光冲击喷丸硬化处理某一给定的零件在2-5行之间的是必要的，如一风机叶片。人们还发现，激光冲击喷丸硬化处理每一点58三次或更多次是所希望的。如果每一点58被击打三次，那么对于三套序列S1-S4共12次上浆而言，需要进行一次上浆和11次重新上浆。
尽管为了解释本发明的原理，对本发明的优选实施例进行了详尽描述，但应该理解的是，对优选实施例作出的变型或替换形式均落入发明所附的技术方案所限定的范围内。
尽管在此描述了被认为是本发明的优选实施例或典型实施例，然而根据本发明的教导，本发明的其它变型对于那些本领域技术人员而言应该是显而易见的，因此，其在所附的技术方案中期望得到保护，所有这些落入本发明的基本实质和范围内的变型在附加的技术方案中都期望能得到保护。因此，为美国专利证书所需要保护的是本发明在下述技术方案中所定义和所区分的。
零件目录
1、激光冲击喷丸硬化处理设备
2、激光束
8、风机叶片
10、基体
12、制品
24、控制器
28、机械臂
30、第一放大器
31、发生器
32、第二放大器
34、翼面
35、光学器件
36、叶片平台
37、沿径向向内的端部
38、叶片顶端
40、根部
42、叶片根部
44、叶片柄部
46、压力侧
48、吸入侧
50、导边部分
52、缺口
54、激光冲击喷丸硬化处理表面
55、激光冲击喷丸硬化处理涂层表面
56、预应力区
57、激光冲击喷丸硬化处理涂层
58、圆点
59、带
60、粘结层
62、行中心线
64、烧蚀介质层
66、洁净外壳层
68、洁净液体封闭介质
70、尾边部分
71、第一侧面
73、第二侧面
74、行
C-弦
D-直径
V-箭头
X-中心点
ML-中线
LE-导边
TE-尾边
W1-第一宽度
W2-第二宽度
O1-第一偏移量
O2-第二偏移量
O3-第三线性偏移量

Claims (10)

1、一种整体激光冲击喷丸硬化处理涂层(57)包括：与洁净外壳层(66)相隔开的烧蚀介质层(64)，以及位于其间的洁净液态封闭介质(68)，其中所述洁净对于用于进行激光冲击喷丸硬化处理的激光束而言是透明的。
2、如权利要求1所述的整体激光冲击喷丸硬化处理涂层(57)，进一步包括：包含水的洁净液态封闭介质(68)。
3、如权利要求1所述的整体激光冲击喷丸硬化处理涂层(57)，进一步包括：包含水和琼脂的混合物的洁净液态封闭介质(68)。
4、如权利要求1所述的整体激光冲击喷丸硬化处理涂层(57)，其中所述涂层是一个带(59)，进一步包括：
具有相对的第一和第二侧面(71和73)的烧蚀介质层(64)，
设置在第一侧面(71)上的粘结层(60)，以及
被洁净外壳层(66)滞留在第二侧面(73)的洁净液态封闭介质(68)。
5、一种被涂覆用于进行激光冲击喷丸硬化处理的制品(12)，所述制品包括涂有整体激光冲击喷丸硬化处理涂层(57)的基体(10)，所述涂层包括与洁净外壳层(66)相隔开的烧蚀介质层(64)，以及位于其间的洁净液态封闭介质(68)，其中所述洁净对于用于进行激光冲击喷丸硬化处理的激光束而言是透明的。
6、如权利要求5所述的制品(12)，其中所述涂层是一个带(59)，进一步包括：
具有相对的第一和第二侧面(71和73)的烧蚀介质层(64)，
设置在第一侧面(71)上的粘结层(60)，以及
被洁净外壳层(66)滞留在第二侧面(73)的洁净液态封闭介质(68)。
7、一种激光冲击喷丸硬化处理制品(12)的方法，所述方法包括以下步骤：
对制品(12)基体(10)的激光冲击喷丸硬化处理表面喷涂整体激光冲击喷丸硬化处理涂层(57)，
所述整体激光冲击喷丸硬化处理涂层(57)包括与洁净外壳层(66)相隔开的烧蚀介质层(64)，以及位于其间的洁净液态封闭介质(68)，其中所述洁净对于用于进行激光冲击喷丸硬化处理的激光束而言是透明的，
将激光束发射到喷涂基体(10)上，以及
发射具有足够大功率的激光束，以气化至少一部分形成具有深度残余压应力区域的烧蚀介质层(64)，该烧蚀介质层从激光冲击喷丸硬化处理表面延伸进入基体(10)内。
8、如权利要求7所述的方法，其中所述涂层是一个带(59)，进一步包括：
具有相对的第一和第二侧面(71和73)的烧蚀介质层(64)，
设置在第一侧面(71)上的粘结层(60)，以及
被洁净外壳层(66)滞留在第二侧面(73)的洁净液态封闭介质(68)。
9、如权利要求7所述的方法，进一步包括在相对恒定的周期之间，向喷涂基体(10)上发射具有可重复脉冲的激光，与此同时在激光束与喷涂基体(10)之间提供连续的运动。
10、如权利要求9所述的方法，其中所述涂层是一个带(59)，进一步包括：
具有相对的第一和第二侧面(71和73)的烧蚀介质层(64)，
设置在第一侧面(71)上的粘结层(60)，以及
被洁净外壳层(66)滞留在第二测面(73)的洁净液态封闭介质(68)。
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