專利名稱：采用低能激光的激光沖擊處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及下列共同待決的美國專利申請中的相關(guān)主題“防裂激光沖擊硬化”(Ripstop Laser Shock Peening)；08/362 362，“在飛行件上的激光沖擊硬化”(on the Fly Laser Shock Peening),1994,12,22提交；和下列美國專利5591009，“激光沖擊硬化的燃氣輪機風扇葉片葉緣”(Laser Shock Peened Gas Turbine Engine FanBlade Adges)；5569018，“防止或者牽制裂紋的技術(shù)”(techniqueto prevent or divert cracks)；5531570，“激光沖擊硬化的燃氣輪機壓縮機葉片葉緣的變形控制”(Distortion Control for Laser ShockPeened Gas Turbine Engine Compressor Blade Edges)；5492447，“渦輪機的激光沖擊硬化的轉(zhuǎn)子部件”(Laser Shock Peened RotorComponents for Turbomachinery)，所有這些都轉(zhuǎn)讓給了本受讓人。
本發(fā)明涉及燃氣輪機的堅硬的金屬零件的激光沖擊處理，特別是采用低能激光和小的激光點來對諸如在風扇和壓縮機葉片上見到的諸如翼型的前緣和后緣的物體的一些部分進行激光沖擊處理，以便形成具有由激光沖擊處理產(chǎn)生的局部壓縮殘余應(yīng)力的激光沖擊處理區(qū)域。
燃氣輪機，特別是飛機燃氣輪機轉(zhuǎn)子在很高的轉(zhuǎn)速下運行，其可以在葉片上產(chǎn)生很高的拉伸和振動應(yīng)力場而使風扇葉片易于遭受外界物體的損壞(FOD)。振動也可以由葉片尾流和進氣壓力變形以及其它氣動現(xiàn)象引起。該外界物體損壞將在風扇葉片翼型的前緣和后緣上造成裂痕和裂縫從而產(chǎn)生應(yīng)力集中。這些裂痕和裂縫成為高應(yīng)力集中源或者應(yīng)力上升的原因，并且由于振動應(yīng)力的高循環(huán)疲勞(HCF)將嚴重地降低這些葉片的壽命。這些和其它的運行現(xiàn)象將導(dǎo)致諸如沿著翼型邊緣的物體部分的裂痕的開始和材料的破壞。
因此，非常希望設(shè)計和構(gòu)成能夠較好地抵抗低和高循環(huán)疲勞并且能夠比目前的零件更能防止裂紋的長壽命的風扇和壓縮機葉片以及其它硬質(zhì)金屬零件。上述的那些美國專利申請是指向此目的的。它們提出，要通過至少在風扇葉片的前緣和/或后緣表面的徑向延伸部分上進行激光沖擊處理來為風扇葉片的翼型提供深度壓縮的殘余應(yīng)力區(qū)域。
由本發(fā)明的激光沖擊處理給出的深度壓縮殘余應(yīng)力的區(qū)域不要與含有局部范圍的壓縮殘余應(yīng)力的工件的表面層區(qū)域相混淆，該局部范圍的壓縮殘余應(yīng)力是通過采用激光束使工件局部加熱和硬化的硬化作業(yè)而產(chǎn)生的，例如在題目為“用于矯直不正工件的方法和裝置”(Method and apparatus for truing or straightening out of true workpieces)的美國專利No.5235838中所公開的。該現(xiàn)有技術(shù)提出，采用來自大能量的脈沖激光的和大約1厘米的大的激光光點直徑的多個輻射脈沖來在工件表面上產(chǎn)生沖擊波，與上述的題目為“改變材料特性”(Altering Material Properties)專利號為No.3850698；題目為“激光沖擊處理”(Laser shock processing)專利號為4401477；和題目為“材料特性”(Material Properties)專利號為No.5131957的專利申請和美國專利相似。按照在本領(lǐng)域中所理解的和在這里所用的激光沖擊硬化是指，利用來自激光束源的激光束來在一部分表面上產(chǎn)生非常強的局部壓縮力。激光硬化已經(jīng)被用來在工件的外表面上產(chǎn)生壓縮應(yīng)力保護層，已知其可大大地增加工件對疲勞破壞的抗力，如在題目為“激光硬化系統(tǒng)和方法”(Laser Peening System and Method)的美國專利No.4937421中所述的。激光沖擊硬化處理的生產(chǎn)費用是非常令人關(guān)心的方面，因為開辦和運行費用是非常昂貴的。在上述的專利08/362362中公開的“在飛行件上”的激光沖擊硬化處理意欲產(chǎn)生與本發(fā)明一樣的用于激光沖擊硬化的節(jié)省費用的方法。但是，該現(xiàn)有技術(shù)提出采用1厘米的和更大直徑的大的激光光點和大能量的激光。制造商在不斷地尋找著可以減少該工藝的時間，費用和復(fù)雜性的方法，而本發(fā)明正是為此而提出的。
本發(fā)明方法包括采用3-10焦耳等級的低能激光束來使由諸如鈦合金的堅固硬質(zhì)金屬制成的零件的一部分的表面上的材料汽化。以直徑1毫米等級的小激光點為基礎(chǔ)的激光脈沖由在該表面上的激光束形成，具有由激光沖擊硬化工藝給出的深度壓縮殘余應(yīng)力的區(qū)域從激光沖擊硬化表面伸入零件內(nèi)部。該方法還包括使一層水幕流過該表面，在該水幕上發(fā)射激光，同時移動零件，直至激光沖擊處理表面完全由激光束點覆蓋至少一次為止。該表面最好由油漆覆蓋，該油漆用作燒蝕材料，用來產(chǎn)生等離子體，或者該表面不被油漆涂覆，而零件的金屬用來產(chǎn)生等離子體。
本發(fā)明方法最好是作為一個“在飛行件上”的方法來實施，以便通過連續(xù)地移動燃氣渦輪發(fā)動機金屬零件同時連續(xù)地在該零件的一部分上發(fā)射靜止激光束而激光束在較為恒定的時間間隔之間重復(fù)地脈動來使燃氣渦輪發(fā)動機零件激光沖擊硬化。該方法還包括使一層水幕流過該表面，在該水幕上發(fā)射激光，同時移動零件，直至激光沖擊處理表面完全由激光束點覆蓋至少一次為止。
零件可以線性地移動，以便產(chǎn)生至少一排重疊的激光束圓點，這些激光束圓點具有大致等距離隔開的線性對齊的中心點，另外可以這樣移動零件和發(fā)射激光，以便產(chǎn)生一排以上的重疊的激光束圓點，而這些激光束圓點具有大致等距離隔開的線性對齊的中心點，其中相鄰排的圓點重疊。可以這樣發(fā)射激光束和移動零件，使得相鄰排的相鄰圓點的中心點在沿著一條在其上中心點線性對齊的線的方向上彼此也偏移一個大致相等的距離。
在本發(fā)明的另一個實施例中，被涂覆油漆的激光沖擊處理表面是采用一組序列被激光沖擊硬化的，在該每個序列中，表面被涂覆，然后零件連續(xù)地被移動，同時在表面上連續(xù)地發(fā)射靜止激光束，使得相鄰的激光沖擊硬化圓點撞擊在該組序列的不同序列上。在一個更為具體的實施例中，這樣發(fā)射激光和移動零件，使得相鄰排的相鄰圓點的中心點沿著一條在其上中心點線性對齊的線的方向彼此偏移大致相等的距離。在一個更為具體的實施例中，利用一組以上的序列使每個圓點撞擊一次以上。
本發(fā)明的一個更為具體的實施例是將上述的方法用在燃氣渦輪發(fā)動機的葉片上，例如用在風扇葉片的翼面上或者具有帶有前緣和后緣的翼面的壓縮機的零件上。本發(fā)明可以沿著邊緣的一部分采用或者沿著翼面的整個邊緣采用，使得激光沖擊硬化表面至少是沿著邊緣的一部分和自邊緣的弦向的一部分徑向延伸的至少邊緣之一的一部分。
在由本發(fā)明提供的優(yōu)點中一個優(yōu)點是，它是激光沖擊硬化燃氣渦輪發(fā)動機零件特別是葉片的表面的一種快速而經(jīng)濟的方法，以便零件可在高拉伸和振動應(yīng)力場中工作，其可更好地承受由于在風扇葉片的前緣和后緣上的刻痕和裂紋而產(chǎn)生的疲勞破壞和比慣用結(jié)構(gòu)的風扇葉片具有增加的壽命。與現(xiàn)有技術(shù)中提出的那些相比較，本發(fā)明的激光沖擊硬化處理生產(chǎn)線由于資金支出少可以較為經(jīng)濟地建立起來，并且由于本發(fā)明的方法采用低能激光，所以該生產(chǎn)線研制，設(shè)計和建造都不太復(fù)雜。本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，風扇和壓縮機葉片可以以經(jīng)濟的方法制造即可提供市場上可接受的壽命期限而無需象慣用方法那樣沿著前緣和后緣增加厚度。本發(fā)明可以有利地用來以費用少的方法來改造現(xiàn)有的風扇和壓縮機葉片，以便使舊的燃氣渦輪發(fā)動機的風扇葉片安全和可靠地運行，同時可以避免目前常常做的或者要求的那樣進行昂貴的重新設(shè)計的努力或者經(jīng)常更換可疑的風扇葉片。
在下面結(jié)合附圖所作的描述中將解釋本發(fā)明的上述方面和其它特征，其中
圖1是按照本發(fā)明的方法由激光沖擊硬化的一個示范性的飛機燃氣輪機風扇葉片的說明性的透視圖。
圖2是另一個飛機燃氣輪機的風扇葉片的說明性透視圖，包括按照本發(fā)明方法而得到的前緣的由激光沖擊硬化的徑向延伸部分。
圖3是通過風扇葉片的橫截面圖，該截面是沿著圖2的3-3線所截取的。
圖4是在沿著圖2的風扇葉片的前緣的激光沖擊硬化表面上的激光沖擊硬化圓點圖案的示意圖。
圖5是含有4個序列的激光沖擊硬化圓點的特定圖案的示意圖，其中圓點在沿著圖2中的風扇葉片的前緣的激光沖擊硬化表面上的給定序列內(nèi)不重疊。
圖6是圖1的葉片安裝在一個激光沖擊硬化系統(tǒng)中并被噴漆的示意透視圖，用來說明本發(fā)明的方法。
圖7是圖6裝置的局部剖視圖和局部示意圖。
示于圖1,2和3的是一個風扇葉片8，風扇葉片8具有一個翼面34，翼面34由鈦合金制成并從一個葉片平臺36沿著徑向向外延伸到葉片頂部38。這是所研制的本發(fā)明的方法意欲用于其上的硬質(zhì)金屬零件和材料的類型的代表。風扇葉片8包括一個根部40，該根部40從平臺36沿著徑向向內(nèi)延伸到根部40的徑向內(nèi)端37。在根部40的徑向內(nèi)端37處是一個葉片根部42，葉片根部42由一個葉柄44連在平臺36上。翼面34在翼面的前緣LE和后緣TE之間沿著翼弦的方向延伸。翼面34的翼弦C是在葉片的每個橫截面處處于前緣LE和后緣TE之間的線，如圖3所示。翼面34的壓力側(cè)46面向由箭頭所示的總的轉(zhuǎn)動方向，負壓側(cè)48在翼面的另外一側(cè)，一個平均線ML大致沿著翼弦方向處于兩個側(cè)面的中間。
風扇葉片8具有一個前緣部分50，該部分50沿著翼面34的前緣LE從葉片平臺36向著葉片頂部38延伸。前緣部分50包括一個預(yù)定的第一寬度W1，使得前緣部分50包含可能沿著翼面34的前緣出現(xiàn)的刻痕52和裂縫。翼面34受到由于風扇葉片8在發(fā)動機運行期間的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的離心力的作用而產(chǎn)生的相當大的拉伸應(yīng)力場的作用。翼面34還受到在發(fā)動機運行期間產(chǎn)生的振動作用，而刻痕52和裂縫起高循環(huán)疲勞應(yīng)力產(chǎn)生源的作用，從而圍繞它們產(chǎn)生附加應(yīng)力集中。
為了對抗葉片沿著可能產(chǎn)生和發(fā)源于刻痕和裂縫的可能的裂紋線部分的疲勞破壞，至少壓力側(cè)46和負壓側(cè)48之一而最好是兩側(cè)具有由本發(fā)明的激光沖擊硬化(LSP)方法給出的具有深度壓縮殘余應(yīng)力的激光沖擊硬化表面54和預(yù)應(yīng)力區(qū)域56。本發(fā)明方法采用具有在大約3-10焦耳范圍內(nèi)，最好是3-7焦耳范圍內(nèi)，而更好是大約3焦耳能量輸出的低能量激光，使其集中而在激光沖擊硬化表面上產(chǎn)生大約1毫米(0.040英寸)-2毫米(0.080英寸)范圍內(nèi)的直徑D的小直徑激光光點58，如圖4,5所示。低能量范圍已經(jīng)示出非常良好的結(jié)果，而3焦耳的激光是相當足夠的，可以產(chǎn)生良好的激光沖擊硬化結(jié)果，并且使用，獲得和維護都非常經(jīng)濟。這導(dǎo)致表面激光能量密度分別從大約400焦耳/厘米2下降到100焦耳/厘米2。這產(chǎn)生了從激光沖擊硬化表面伸入翼面34的預(yù)應(yīng)力區(qū)域56，如圖3和6中所示。激光脈沖瞬間分布最好是在20-30毫微秒持續(xù)時間等級范圍內(nèi)，上升時間最好是小于大約10毫微秒，名義上最好是大約4毫微秒。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)較短的脈沖瞬間條件可以增加LSP效果，產(chǎn)生較為伸入工件的壓縮殘余應(yīng)力。利用大約45毫微秒持續(xù)時間的激光脈沖瞬間分布和24毫微秒的前緣上升時間已經(jīng)顯示出滿意的結(jié)果。該瞬間分布對于實施LSP似乎是較長的。
盡管如此，低能量激光和較差的脈沖瞬時參數(shù)看來可以產(chǎn)生伸入工件的壓縮殘余應(yīng)力。在伸入以低能量激光處理的樣品的0.75毫米(0.030英寸)處測量到了壓縮應(yīng)力。這比得上0.254毫米(0.010英寸)的噴射硬化極限，而對于高能激光來說在其它地方報道的深度達到1,27毫米(0.05英寸)的深度。當前緣瞬時上升時間變短(其又可以使脈沖持續(xù)時間變短)時，低能激光的穿入深度可以得到增加，因為較陡的上升時間會引發(fā)較快的沖擊波和增加波前沖擊能量和合成壓力。預(yù)計，3焦耳的激光與5毫微秒的上升時間一起采用可以產(chǎn)生伸入金屬表面超過1.27毫米(0.05英寸)的壓縮應(yīng)力。
最好是，預(yù)應(yīng)力區(qū)域56和前緣部分50沿著翼弦方向共同擴展到寬度W1的整個范圍并且足夠伸入翼面34，以便至少在寬度W1的一部分上合并。所示的預(yù)應(yīng)力區(qū)域56沿著前緣LE在徑向上與前緣部分50一起擴展，但是可以短些。在壓縮預(yù)應(yīng)力區(qū)域56中由激光束沖擊產(chǎn)生的深度壓縮殘余應(yīng)力大約為50-150千磅/每英寸2(KPSI)，從激光沖擊表面54伸入激光沖擊產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域56達到大約20-50密耳的深度。激光束沖擊引發(fā)的深度壓縮殘余應(yīng)力是由重復(fù)發(fā)射的兩條高能激光束2產(chǎn)生的，每條激光束2相對于覆蓋有油漆55的前緣LE兩側(cè)的表面54在±幾密耳的范圍內(nèi)散焦。整個激光沖擊硬化表面54可以通過激光沖擊硬化圓點58的重疊來形成，如圖4和5所示。
現(xiàn)在參閱附圖6和7，激光束沖擊引發(fā)的深度壓縮殘余應(yīng)力是由重復(fù)發(fā)射兩條低能激光束2產(chǎn)生的，每條激光束2相對于覆蓋有油漆55的前緣LE兩側(cè)的表面54在±幾密耳的范圍內(nèi)散焦。激光束最好是通過一層流過涂覆的或者噴漆的激光沖擊硬化表面54的流水幕來發(fā)射。涂層被燒蝕可產(chǎn)生導(dǎo)致在材料表面上產(chǎn)生沖擊波的等離子體。其它燒蝕材料也可以用作油漆的適當?shù)奶鎿Q物，例如金屬箔或者黏性塑料帶。這些沖擊波由流水幕向著涂覆表面重新定向，以便在涂覆表面之下的材料中產(chǎn)生行進的沖擊波(壓力波)。這些沖擊波的幅度和量度確定了壓縮應(yīng)力的深度和強度。采用油漆是為了保護目標表面，也是為了產(chǎn)生等離子體。示于圖6,7中的是一個沖擊硬化設(shè)備1，該設(shè)備具有一個安裝在一個用來連續(xù)地使葉片移動和定位的通常熟知的遙控臂27上的葉片8，以便按照本發(fā)明的一個實施例在“飛行件”上提供激光沖擊處理。分別在前緣LE的壓力側(cè)和負壓側(cè)46和48的激光沖擊硬化表面54上涂以燒蝕油漆55。然后連續(xù)地移動葉片8，同時通過在表面54上的流水幕21連續(xù)地發(fā)射靜止的激光束2，從而形成重疊的激光沖擊硬化圓點58。所示的流水幕21是由在慣用供水管19端部的慣用噴水嘴23來提供的。激光沖擊硬化設(shè)備1具有一個帶有一個振蕩器33，一個前置放大器39A，一個激光束分離器43和光學裝置35的慣用發(fā)生器31，其中，激光束分離器43將前置放大器的激光束供給兩個激光束傳輸回路，而每個回路分別具有第一和第二放大器39和41，而其中的光學裝置35包括可以將激光束2傳輸和聚焦在激光沖擊處理表面54上的光學元件。一個控制器24可以用來調(diào)制和控制該沖擊硬化設(shè)備1，以便以可控制的方式將激光束2發(fā)射在激光沖擊處理表面54上。燒蝕的油漆材料由流水幕沖洗掉。
激光可以連續(xù)地發(fā)射在“飛行件”上，因此激光沖擊處理表面54在不止一個序列地涂覆該表面的情況下被激光沖擊處理，如圖4和5所示，然后不斷移動葉片，同時不斷在該表面上發(fā)射激光，使得相鄰的激光沖擊硬化圓點撞擊在不同的序列上。圖4示出了在第一圖案中帶有在大約1毫米(0.04O英寸)-2毫米(0.080英寸)范圍內(nèi)的小直徑D的所有激光沖擊硬化圓點的重疊情況，對于該第一圖案來說，圓點的對應(yīng)中心X沿著一排中心線62隔開一個直徑D，并且該排中心線62隔開一個直徑D。
圖5示出了激光沖擊硬化圓點58(由圓圈表示)的第二圖案，也示出了序列S1-S4數(shù)目(在本示范性實施例中為4個)的噴涂(燒蝕涂層)情況，并且在飛行件上的激光沖擊硬化處理可以用來對葉片前緣進行激光沖擊硬化處理。與其它序列的虛線圓不同，所示Sl序列為實線圓，用來表示沒有相鄰的激光沖擊硬化圓點58而其對應(yīng)的中心X沿著一排中心線62的特征。序列圖案整個覆蓋著激光沖擊硬化表面54。激光沖擊硬化圓點58在一個重疊的激光沖擊硬化圓點排64中具有一個直徑D。該圖案可以在激光沖擊硬化表面54上具有多個重疊排64的重疊沖擊硬化圓點。第一重疊位于一個給定排的相鄰的激光沖擊硬化圓點58之間并且大致由在相鄰的激光沖擊硬化圓點58的中心之間的一個第一偏移01限定，并且可以在直徑D的大約30％-50％或者更多的范圍內(nèi)變化。第二重疊位于相鄰排的相鄰的激光沖擊硬化圓點58之間并且大致由在相鄰排中心線62之間的第二偏移O2限定并且可以在直徑D的大約30％-50％的范圍內(nèi)變化，其取決于激光束的施加作業(yè)和強度或者通量。線性偏移03形式的第三重疊位于相鄰排64的相鄰的激光沖擊硬化圓點58的中心X之間并且可以在直徑D的大約30％-50％的范圍內(nèi)變化，其取決于特定作業(yè)。
該方法是這樣設(shè)計的，使得僅僅原油漆或者幾乎是原油漆被燒蝕掉而對翼面表面沒有明顯的影響或者損壞。這是為了防止由于激光造成的更小的瑕疵或者再熔化，否則其可能對葉片的運行造成不希望有的氣動效應(yīng)。可能要求幾個序列來覆蓋整個圖案，并且在激光發(fā)射的每一序列之間進行激光沖擊硬化表面54的再噴涂。激光發(fā)射的每一個序列具有多個激光發(fā)射或者脈沖，該發(fā)射或者脈沖具有常常稱為“重復(fù)”(rep)的時間間隔。在該重復(fù)期間，工件移動，以便下一個脈沖發(fā)生在下一個激光沖擊硬化圓點58的位置處。最好是，工件不斷地移動和被定時，以便處于激光束脈沖或者發(fā)射的適當位置?？梢允姑總€序列重復(fù)一次或者多次，以便不止一次地沖擊每個激光沖擊硬化圓點58。這還容許在每次發(fā)射或者激光脈沖中使用較少的激光能量。
本發(fā)明的一個實例是有關(guān)風扇葉片8，它具有一個大約11英寸長的翼面，一個大約3.5英寸的弦C和沿著前緣LE的大約2英寸長的激光沖擊硬化表面54。激光沖擊硬化表面54大約是0.5英寸寬(W1)。采用四個序列的連續(xù)激光發(fā)射和葉片移動。在激光的重復(fù)之間的發(fā)射在處于有效的涂覆表面上的圓點58上進行，而這要求在每個序列之間重復(fù)噴涂。每個圓點58撞擊三次，因此，對于總計為12次噴涂和再噴涂的激光沖擊硬化表面54來說使用了3組4個序列。
序列的數(shù)目并不意味著要對所述的方法進行限制而只是本發(fā)明的一個示范性實施例。激光沖擊硬化過程由第一序列S1開始，其中，在沿著給定排的序列S1上和沿著相鄰排的偏移位置處的每第四點被激光沖擊硬化，同時葉片不斷地被移動，并且激光束不斷地被發(fā)射或脈動。工件被定時，以便在給定序列例如S1上的相鄰激光沖擊硬化圓點之間移動。該定時與發(fā)射在葉片上的連續(xù)的激光脈沖之間的重復(fù)是一致的。重疊的激光沖擊硬化圓點58的所有排都有每個序列隔開一定距離的圓點，以便同一序列的其它激光沖擊硬化圓點不影響其附近的油漆。在序列S1和序列S2之間，要予以激光沖擊硬化的激光沖擊硬化表面54的整個區(qū)域被再噴漆。再噴漆的步驟可以避免激光沖擊硬化表面的任何裸露金屬受到激光束的直接撞擊。業(yè)已發(fā)現(xiàn)激光沖擊處理每個圓點58達3次或者多次為更佳。如果每個圓點58被撞擊3次，那么對于三組四個序列S1-S4要求作1次噴漆和11次再噴漆?？傆嫗?2次噴漆。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，工件可以被激光沖擊硬化而無需將任何油漆使用在飛行件的激光沖擊處理上，這通過不必再噴漆而可以節(jié)省大量的時間。另外，由于常常希望激光沖擊處理每個表面多于一次，特別是三次，所以通過根本不用任何油漆來進行激光沖擊處理就可以節(jié)省對表面的12次噴漆。要產(chǎn)生的等離子體由葉片即工件本身的金屬合金材料構(gòu)成。在這種情況下，在激光沖擊處理零件或者脈沖零件的過程完成之后，再熔物會留在激光沖擊處理的區(qū)域上。該再熔物通常需要以許多熟知的方法中的任何一種方法予以清除，例如機械的或者化學的清除表層的方法。對于飛行件激光沖擊處理來說非涂覆零件的利用取決于零件的厚度，而對于薄的翼面的前緣和后緣則必須格外的小心。應(yīng)當指出，沒有油漆的等離子體和金屬合金將再硬化并形成稱為再熔物的物質(zhì)，因此將要求以熟知的方法之一予以清除。
本發(fā)明的無油漆“飛行件”的激光沖擊硬化方法利用在翼面表面上的金屬合金來形成上述的等離子體并且對于所要求的許多排來說可以采用單個連續(xù)序列的重疊點58，如圖6所示。在激光沖擊硬化過程完成以后，激光沖擊硬化表面可以去掉至一定的深度，以便足以去掉形成在表面上的可能干擾翼面運行的再熔物。
現(xiàn)在更為具體地參閱附圖1-3，本發(fā)明包括激光沖擊硬化風扇葉片8的前緣LE部分或者后緣TE部分或者這兩個部分，以便產(chǎn)生激光沖擊硬化表面54和帶有由上述的激光沖擊處理(LSP)給出的深度壓縮殘余應(yīng)力的相關(guān)的預(yù)應(yīng)力區(qū)域56。在后緣TE部分上的激光沖擊硬化表面和相關(guān)的預(yù)應(yīng)力區(qū)域是與上述的前緣LE部分相似地構(gòu)成的。在前緣LE上的刻痕往往大于在后緣TE上的刻痕，因此，前緣部分50的第一寬度W1可以大于也予以激光沖擊硬化的后緣部分70的第二寬度W2。舉例來說，W1可以大約為0.5英寸，而W2可以大約為0.25英寸。再參閱圖2，最好是僅僅激光沖擊硬化LE至TE的L1部分，而不是如圖1所示的其整個長度。
圖2示出了本發(fā)明的穿過大致相對于與前緣LE相交的一個預(yù)定的節(jié)線59對中的激光中擊硬化表面長度L1的局部前緣長度預(yù)應(yīng)力區(qū)域56。最好是，節(jié)線59是由于振動應(yīng)力而產(chǎn)生的主要故障形式之一。該應(yīng)力可能是由于葉片受到彎曲和扭曲形式的擾動而產(chǎn)生的。主要故障形式可能不總是最大應(yīng)力形式，而是較低的應(yīng)力形式或者較長時間存在于發(fā)動機變速箱的應(yīng)力形式的組合。例如，示于圖2的預(yù)定的節(jié)線59是由于第一彎曲模式形成的。位于前緣LE的該區(qū)域的刻痕52具有使葉片在該模式的共振之下破壞的最大潛在可能性。另外例如，局部前緣長度預(yù)應(yīng)力區(qū)域56的激光沖擊硬化表面長度L1可以沿著前緣LE延伸大約風扇葉片的從頂部38至平臺36長度的20％。
本發(fā)明采用的激光束比已經(jīng)公開的能量低，并且這些激光束可以采用不同的激光材料，例如摻釹的釔鋁石榴石(Nd YAG),Nd:YLF等等產(chǎn)生。這些低能激光器的優(yōu)點是，它們可以以相當高的速率，每秒幾次脈沖地產(chǎn)生脈動，并且它們是現(xiàn)用的從市場上的賣主處目前可買到的激光器。
舉例來說對于一個可比較的200焦耳/厘米2的表面能量密度來說，一個50焦耳的高能激光器每4秒鐘產(chǎn)生一個脈沖并且每個脈沖覆蓋0.25平方厘米的面積。而例如本發(fā)明的3焦耳低能激光每秒可產(chǎn)生10次脈沖和覆蓋0.015平方厘米的面積。結(jié)果，面積比高能脈沖小16.7倍，但是3焦耳低能激光具有的脈沖速率是高能激光的40倍。凈效應(yīng)是，采用低能激光器時在給定的激光沖擊硬化處理的時間期限內(nèi)，總的面積覆蓋方面改進了2.4倍。
一種特別有用的激光器是準分子激光器，它采用以紫外線方式發(fā)射激光的氣體媒質(zhì)。這些激光器射出毫微秒脈沖持續(xù)時間，并且目前可達到每個脈沖10焦耳，并且具有沖擊通過潛能，而這對于激光沖擊硬化表面上的小點尺寸或者中等點尺寸都是重要的。另外，紫外線輻射與飛機發(fā)動機硬質(zhì)合金的相互作用牽涉較少的熱傳遞，并且與在其中材料隨著熔化和蒸發(fā)而從晶格結(jié)構(gòu)上脫離的燒蝕過程相似。這個特性在其中表面損害(熔化和再凝固)可能多于彌補由激光沖擊硬化過程給出的任何改進特性的激光沖擊硬化過程中可能是重要的。紫外線輻射可能使采用外部涂層來保護表面的需要減至最少或者消除，而這種涂層對于釹玻璃激光器沖擊硬化目前據(jù)信是需要的。
采用低能激光器的另一個優(yōu)點是，它們通常是較為耐用的工業(yè)設(shè)備。通常，低能燈激勵的激光器的保養(yǎng)周期可以超過一百萬脈沖并且可以達到幾千萬脈沖。高能激光器的典型保養(yǎng)周期大約是幾萬次發(fā)射，大約5萬次。因此，考慮到低能激光器所要求的16.7倍的脈沖數(shù)和一千萬次的保守的保養(yǎng)周期而高能激光器是五萬次脈沖的保養(yǎng)周期的因素，低能激光器要求的維護將少于高能激光器的，大約為其1/10。
較難分解的低能激光器的另一個優(yōu)點是系統(tǒng)的復(fù)雜性。低能激光器將有三個或者四個小激光頭，六個或者八個閃光燈和較小的電源。高能激光器可能具有最少五個激光頭，其中四個將是較大的和相應(yīng)的大型電源，和10-18個閃光燈。在別處公開的某些高能激光器具有多達14個的激光頭，10個大型電源，并且將有超過40個的閃光燈(在任何激光系統(tǒng)中都是很大的保養(yǎng)項目)。任何激光加工都取決于系統(tǒng)的所有部件的成功作用激光頭，閃光燈，電源和控制器。相對于不太復(fù)雜的低能激光器來說，高能激光器的大量的可磨損部件和加工大量的工件所要求的長期的脈沖數(shù)目使高能激光器的可靠性變得可疑了。
低能激光器的另一個優(yōu)點是費用和交貨。一個說明性比較實例發(fā)現(xiàn)，低能激光器可以以大約$ 100000元的費用在大約90天之后從幾個賣主之一買到。一個典型的LSP系統(tǒng)將要求兩個低能激光器，總費用是$200000元。高能激光器大約要花費$1000000元多，可能達到$4000000元，并且可能需要六個多月，有時超過一年才能得到。由于是專門的設(shè)計，高能激光器要求專門的備件，這也可能要求長時間預(yù)制零件，從而是較為昂貴的。
雖然為了解釋其原理對本發(fā)明的最佳實施例作了充分的描述，但是可以理解，在不脫離附后的權(quán)利要求所述的本發(fā)明的范圍的情況下可以對這些最佳實施例作出各種修改和變更。
權(quán)利要求
1．一種激光沖擊硬化硬質(zhì)金屬物體的方法，所述的方法包括下列步驟采用能量在3-10焦耳之間的激光束使在一部分物體的激光沖擊處理表面上的材料汽化，激光束以以激光束光點為基礎(chǔ)的脈沖來發(fā)射，激光束光點具有由在該表面上的激光束形成的大約1毫米的直徑，以便形成從激光沖擊處理表面伸入物體的具有深度壓縮殘余應(yīng)力的區(qū)域，和在該表面上流過一層水幕，激光束在該水幕上發(fā)射。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，它還包括利用這樣一種脈沖瞬時分布，使得每個脈沖具有大約20-30毫微秒范圍內(nèi)的持續(xù)時間并且上升時間小于大約10毫微秒。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，上升時間大約為4毫微秒，激光器的能量大約是3焦耳。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該物體線性地移動，以便產(chǎn)生至少一排重疊的激光圓點，這些圓點具有大致等距隔開的線性對齊的中心點。
5．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該物體移動并發(fā)射激光束，以便產(chǎn)生一排以上的重疊激光圓點，這些激光圓點具有大致等距隔開的線性對齊的中心點，其中相鄰排的圓點重疊。
6．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，激光束的發(fā)射和物體的移動應(yīng)當是這樣的，使得相鄰排的相鄰圓點的中心點沿著在其上中心點線性對齊的一條線的方向彼此偏移一個大致相等的距離。
7．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，激光沖擊硬化處理表面是利用一組序列來激光沖擊硬化的，其中，每個序列包括涂覆表面，使得表面上的材料是適于產(chǎn)生等離子體的涂層，而等離子體可產(chǎn)生沖擊波，以便形成具有深度壓縮殘余應(yīng)力的區(qū)域，然后，不斷地移動該物體同時不斷地在該表面上發(fā)射靜止的激光束，使得，相鄰的激光沖擊硬化圓點撞擊在所述組的所述序列的不同的序列上。
8．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，它還包括采用以紫外線方式發(fā)射激光的采用氣體媒質(zhì)的準分子式激光器。
9．如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述的涂覆包括利用適于產(chǎn)生等離子體的涂料涂覆表面。
10．如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，發(fā)射激光束和移動物體，使得相鄰排的相鄰圓點的中心點沿著在其上中心點線性對齊的一條線的方向彼此偏移大致相等的距離。
11．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，采用一組以上的所述的序列來使每個圓點被撞擊一次以上。
12．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在連續(xù)發(fā)射靜止的激光束的步驟以前物體不被涂覆，使得在該表面上的適于產(chǎn)生等離子體而導(dǎo)致沖擊波從而形成具有深度壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域的材料是燃氣輪機發(fā)動機金屬物體的金屬，另外，該方法還包括清除由激光發(fā)射而在表面上形成的再熔物的步驟。
13．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于該物體是具有一個前緣和一個后緣的燃氣輪機發(fā)動機的葉片，該物體的該部分是邊緣之一，和該激光沖擊硬化處理表面沿著至少所述的一個邊緣的一部分徑向延伸。
14．如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述的葉片是一個修理過的葉片。
15．如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，它還包括同時激光沖擊硬化處理兩個激光沖擊硬化處理的表面，而每個表面是在葉片的兩側(cè)之一上，其方法是不斷地移動葉片，同時利用兩條靜止的激光束不斷地發(fā)射在葉片的該部分上，采用激光束使在該葉片部分的兩個表面上的材料汽化，而采用的脈沖以由激光束在該表面上形成激光束圓點為基礎(chǔ)，以便形成從激光沖擊硬化處理表面伸入葉片的具有深度壓縮殘余應(yīng)力的區(qū)域，使一層水幕流過該表面，在該水幕上發(fā)射激光，同時移動葉片，直至激光沖擊硬化處理表面完全由激光束圓點覆蓋至少一次為止。
16．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，葉片線性地移動，以便產(chǎn)生至少一排重疊的激光束圓點，而這些圓點具有大致等距離隔開的線性對齊的中心點。
17．如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，使葉片移動和發(fā)射激光，以便產(chǎn)生一排以上重疊的激光束圓點，而這些圓點具有大致等距離隔開的線性對齊的中心點，其中，相鄰排的圓點重疊。
18．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，發(fā)射激光束和使葉片移動，以便相鄰排的相鄰圓點的中心點沿著在其上中心點是線性對齊的一條線的方向彼此偏移一個大致相等的距離。
19．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，它還包括采用具有大約在3-7焦耳能量之間的激光束。
20．如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，它還包括采用摻有釹的釔鋁石榴石(Nd:YAG)式激光器。
21．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，它包括采用具有大約3焦耳能量的激光束。
全文摘要
一種激光沖擊硬化硬質(zhì)金屬零件的方法，其以3—7焦耳的低能激光束在零件表面上重復(fù)地發(fā)射激光脈沖，該激光脈沖以直徑1毫米的激光小點為基礎(chǔ)，以便使該表面上的材料汽化，并形成從該表面伸入零件的具有深度壓縮殘余應(yīng)力的區(qū)域。使一層水幕流過該表面，在該水幕上發(fā)射激光束，同時使零件移動，直至該表面由激光束圓點完全覆蓋至少一次為止。該表面可以涂覆有適于產(chǎn)生等離子體的諸如油漆的燒蝕涂層或者該表面不被涂覆而零件的金屬用來產(chǎn)生等離子體。
文檔編號C21D7/06GK1227877SQ9812539
公開日1999年9月8日 申請日期1998年12月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月18日
發(fā)明者S·曼納瓦, T·J·羅克斯特羅, J·G·克萊 申請人:通用電氣公司