薄壁結(jié)構(gòu)雙側(cè)異步激光噴丸強(qiáng)化試驗研究*

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實驗室，上海 200240）

航空渦輪噴氣發(fā)動機(jī)葉片（如風(fēng)扇、壓氣機(jī)葉片）在工作中易受異物撞擊，且承受著拉伸、彎曲和振動等多種載荷，容易產(chǎn)生疲勞破壞。激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)是實現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)葉片表面強(qiáng)化，提高葉片的抗疲勞和抗異物撞擊損傷性能的有效方法，對于延長葉片的使用壽命、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，提高航空發(fā)動機(jī)的運(yùn)行可靠性具有十分重要的意義[1]。但典型葉片邊緣的厚度只有0.5～0.6mm，小于塑性應(yīng)變和殘余壓應(yīng)力層深。因而薄壁結(jié)構(gòu)的激光噴丸強(qiáng)化在獲得殘余壓應(yīng)力的同時保證其形狀精度要求十分重要。

航空發(fā)動機(jī)葉片薄壁結(jié)構(gòu)的激光噴丸強(qiáng)化需要充分考慮葉片葉緣部位薄壁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過工藝參數(shù)的合理選擇確保強(qiáng)化工藝能夠明顯改善葉片疲勞性能[2]。近些年來，研究人員對激光高速沖擊作用下板件的變形響應(yīng)開展了較多研究。2004年，美國哥倫比亞大學(xué)Yao等研究了微細(xì)薄板在激光沖擊作用下的變形過程[3]；2007年，英國利物浦大學(xué)Edwards等研究了激光沖擊薄板彎曲變形的特征[4]。2010年，上海交通大學(xué)胡永祥研究了激光沖擊作用下純鋁板的不同彎曲變形特征的形成與轉(zhuǎn)變過程[5]。根據(jù)現(xiàn)有研究工作，如果采用單側(cè)沖擊進(jìn)行強(qiáng)化，薄壁結(jié)構(gòu)會呈現(xiàn)復(fù)雜的彎曲特征，難以滿足形狀精度的要求。

目前，薄壁結(jié)構(gòu)激光噴丸強(qiáng)化通常采用雙光束、雙側(cè)同步?jīng)_擊技術(shù)來減小激光產(chǎn)生的薄壁結(jié)構(gòu)變形，同時獲得強(qiáng)化效果[6]。但辛辛那提大學(xué)的Qian等認(rèn)為雙面強(qiáng)化容易導(dǎo)致拉伸波在材料中心處疊加，進(jìn)而造成材料層裂失效[7]。此外，對于整體葉盤結(jié)構(gòu)的激光噴丸強(qiáng)化，由于葉盤形狀復(fù)雜，通常需要復(fù)雜的光路系統(tǒng)來實現(xiàn)該工藝，且無法保證兩側(cè)激光均沿法線入射到材料表面，極大地影響該技術(shù)在整體葉盤上的應(yīng)用[8]。

提出雙側(cè)異步激光噴丸強(qiáng)化的方法，以實現(xiàn)薄壁結(jié)構(gòu)的激光噴丸強(qiáng)化。通過試驗分析了不同激光功率密度下單側(cè)沖擊和雙側(cè)異步?jīng)_擊的變形規(guī)律，同時測量并分析了雙側(cè)沖擊后的殘余應(yīng)力場，研究該方法對葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化、提高疲勞壽命的可行性。

1 基本原理

如圖1（a）所示，激光噴丸強(qiáng)化工藝采用高功率密度的短脈沖激光束（功率密度大于1GW/cm2）作用于金屬靶材表面的吸收層，產(chǎn)生被約束層約束的高壓等離子體，從而形成瞬時沖擊壓力載荷使材料表層產(chǎn)生局部塑性變形，進(jìn)而在試樣表層獲得殘余壓應(yīng)力，具有抑制裂紋形成與擴(kuò)展，顯著提高試樣表面抗疲勞強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。

利用激光噴丸對薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面強(qiáng)化，會在引入殘余壓應(yīng)力場的同時，造成薄壁結(jié)構(gòu)扭曲變形，影響葉片工作效率。因此，通常采用如圖1（b）所示的雙側(cè)同步激光噴丸強(qiáng)化方法，即兩側(cè)表面同時作用相同功率密度的激光，使塑性應(yīng)變對稱分布，避免扭曲變形。但是，兩側(cè)沖擊產(chǎn)生的壓縮波傳播到自由邊界時會發(fā)生反射，反射拉伸波會在材料中間位置疊加，極易造成材料中心層裂失效。

為克服以上問題，如果對薄壁結(jié)構(gòu)兩側(cè)依次進(jìn)行激光沖擊，則可以有效避免中心拉伸波疊加的影響。雙側(cè)異步激光噴丸強(qiáng)化工藝方法如圖1（c）所示，即先進(jìn)行一側(cè)表面的激光噴丸強(qiáng)化，形成殘余應(yīng)力和變形；然后對另一個表面進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化，消除第一次沖擊變形的同時，有效保證沖擊部位產(chǎn)生有效的殘余壓應(yīng)力。

圖1 激光噴丸強(qiáng)化原理Fig.1 Schematic of laser peening

2 試驗方法

薄壁結(jié)構(gòu)試樣采用2024-T351航空鋁合金進(jìn)行機(jī)械加工后制成。試樣幾何形狀如圖2所示。試樣結(jié)構(gòu)參考了用于三點(diǎn)彎曲的薄壁葉片模擬件[9]，但是去掉一側(cè)約束，使薄壁變形主要集中在另兩個自由邊，且相交端點(diǎn)處變形最大，便于分析試樣的變形量。其中，薄壁厚度為0.5mm，相鄰兩邊設(shè)計5mm厚夾持部分約束薄壁。兩邊夾持部分可以作為變形形狀測量的基準(zhǔn)面。試樣表面用細(xì)砂紙打磨，使試樣表面更加光滑。

圖2 薄壁葉片模擬件幾何形狀及尺寸Fig.2 Configuration and dimensions of specimens

激光噴丸強(qiáng)化采用的試驗設(shè)備如圖3（a）所示，激光器選用美國光譜物理公司（Spectra-Physics）調(diào)Q型Nd：YAG固體納秒短脈沖激光器，輸出激光波長為532nm，重復(fù)頻率為10Hz，單脈沖最大能量為1J。出射激光經(jīng)光路系統(tǒng)導(dǎo)光和聚焦，最終以2mm直徑的圓形光斑照射到試樣表面。試樣由6軸工業(yè)機(jī)器人夾持，通過實時調(diào)整機(jī)器人位姿，使激光沿法線方向照射到試樣表面，且使光斑通過搭接的方式覆蓋整個掃描區(qū)域。光斑掃描的路徑如圖3（b）所示。光斑的掃描軌跡與葉緣平行，掃描順序為從遠(yuǎn)離葉緣的區(qū)域向葉緣掃描，使葉緣區(qū)域獲得更大的殘余應(yīng)力[10]。相鄰兩個光斑搭接率選為50%。

試驗過程中，先進(jìn)行一側(cè)的激光噴丸強(qiáng)化，測量沖擊后扭曲變形；然后對另一側(cè)采用相同激光參數(shù)和掃描路徑進(jìn)行第2次激光噴丸強(qiáng)化，消除前一側(cè)沖擊產(chǎn)生的扭曲變形，同時避免雙側(cè)同時沖擊產(chǎn)生的拉伸波疊加效應(yīng)。各試樣采用不同功率密度激光沖擊，研究不同功率密度下變形和殘余應(yīng)力的變化規(guī)律。采用分束鏡來調(diào)節(jié)激光光斑的功率密度，即通過多片分束鏡組合，可以獲得5個不同的激光功率密度，試樣編號與功率密度的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

圖3 試驗方法示意圖Fig.3 Schematic of experiments

表1 試驗采用的激光功率密度

每個試樣進(jìn)行單側(cè)沖擊和雙側(cè)沖擊后，均對其進(jìn)行表面輪廓的測量。測量的儀器選用Keyence KS-1100三維表面形狀測量儀，測頭型號為LG-10，測量精度為±0.1μm，步長選取為50μm。對于雙側(cè)異步激光噴丸強(qiáng)化后的試樣，采用X射線衍射法對其兩側(cè)表面進(jìn)行殘余應(yīng)力測量。殘余應(yīng)力測量儀器選用型號為Xstress3000的X射線應(yīng)力儀，測量管直徑為4mm，測量方法為側(cè)傾法，靶材為Cr靶。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 單側(cè)沖擊試驗

對1～5號薄壁試樣先進(jìn)行一側(cè)表面的沖擊,并測量未沖擊一側(cè)表面的表面輪廓（較沖擊表面更為光滑），沖擊后通過表面輪廓儀測量自由邊變形場如圖4所示。在不同的功率密度下，試樣變形特征有不同。激光功率密度最小的1號試樣，單側(cè)沖擊后相對于激光入射方向呈現(xiàn)出“∧”的變形趨勢，自由邊端點(diǎn)變形量為-124μm； 2號試樣激光功率密度比1號較高，變形趨勢與1號試樣相同，變形量較小為-25μm，整體變形更趨于平衡狀態(tài)；而隨著功率密度不斷增大，對于3號、4號和5號試樣，變形特征均呈現(xiàn)出與1號和2號相反的趨勢，即相對于激光入射方向呈現(xiàn)“∨”變化，端點(diǎn)變形量分別為43μm,145μm和408μm逐漸增大。因此，對于單側(cè)激光噴丸強(qiáng)化，隨著功率密度從0.64GW/cm2到2.60GW/cm2逐漸增大，試樣變形從“∧”逐漸向平衡位置變化，然后越過平衡位置向“∨”變形量增大的方向變化，整體呈現(xiàn)變形量隨功率密度連續(xù)變化的趨勢。

圖4 單側(cè)沖擊試樣變形場Fig.4 Deformation of specimens with single side LP

在激光噴丸工藝中，變形場主要來源于沖擊塑性變形帶來的彈性流動。激光噴丸工藝在表面方向上具有重復(fù)特性，試樣變形場主要取決于塑性應(yīng)變沿深度方向的梯度分布。鋁合金試樣沖擊區(qū)域厚度為0.5mm，遠(yuǎn)小于激光噴丸工藝塑性應(yīng)變層可達(dá)深度，塑性應(yīng)變貫穿整個深度方向，且根據(jù)激光噴丸工藝的原理，塑性應(yīng)變均為拉伸應(yīng)變。

對于1號試樣，試驗激光功率密度最小，如圖5（a）所示，單側(cè)激光噴丸強(qiáng)化后塑性應(yīng)變分布應(yīng)該呈現(xiàn)出與厚壁結(jié)構(gòu)相似的規(guī)律，即沖擊表面附近平均塑性應(yīng)變最大，塑性應(yīng)變沿深度方向不斷降低，而另一側(cè)未沖擊表面附近平均塑性應(yīng)變最小。這種塑性應(yīng)變分布使得沖擊表面的拉伸大于另一側(cè)表面，最終使試樣呈現(xiàn)出“∧”的變形趨勢；而對于2號試樣，如圖5（b）所示，激光功率密度增大，會使整體塑性應(yīng)變增大，但未沖擊表面增大的程度要大于沖擊表面，雖然變形趨勢與1號試樣相同，兩表面附近塑性應(yīng)變的差值減小，導(dǎo)致變形量小于1號試樣；隨著功率密度繼續(xù)增大，如圖5（c）所示，整體塑性應(yīng)變也隨之增大，但是由于未沖擊表面塑性應(yīng)變增量更大，最終大于沖擊表面，導(dǎo)致試樣呈現(xiàn)出“∨”的變形趨勢，且隨著功率密度繼續(xù)增大，未沖擊表面附近和沖擊表面附近的塑性應(yīng)變差值不斷增大，導(dǎo)致試樣變形量逐漸增大。因此，塑性應(yīng)變分布的不同是造成不同功率密度沖擊下變形不同的原因。

圖5 單側(cè)沖擊塑性應(yīng)變沿深度方向分布示意圖Fig.5 Distribution of plastics strain after single side LP

3.2 雙側(cè)異步?jīng)_擊試驗

單側(cè)激光噴丸強(qiáng)化后，另一側(cè)采用相同的參數(shù)和掃描路徑?jīng)_擊，消除單側(cè)強(qiáng)化的扭曲變形。雙側(cè)異步強(qiáng)化后的試樣表面輪廓如圖6所示。激光功率密度最小的1號試樣，表面端部變形量為12μm；而2號試樣雙側(cè)激光噴丸強(qiáng)化后的變形量為7μm，且具有和1號試樣相同的變形趨勢；對于3號、4號和5號試樣，其雙側(cè)異步?jīng)_擊后端部變形量分別為7μm、-32μm和-22μm，且4號和5號試樣呈現(xiàn)出了與單側(cè)沖擊相反的變形趨勢。在試驗采用的激光功率密度范圍內(nèi)，所有試樣經(jīng)過雙側(cè)異步?jīng)_擊后，扭曲變形均基本得到恢復(fù)。

圖6 雙側(cè)異步?jīng)_擊變形場Fig.6 Deformation of specimens with double side alternate LP

扭曲變形恢復(fù)的原因是相較于單側(cè)沖擊，雙側(cè)異步?jīng)_擊塑性應(yīng)變在深度方向上更趨于對稱分布（如圖7所示）。然而，進(jìn)行第2側(cè)沖擊時，第1側(cè)沖擊形成的塑性應(yīng)變和變形場影響第2側(cè)沖擊，最終的塑性應(yīng)變和殘余應(yīng)力場為兩側(cè)沖擊效應(yīng)耦合的結(jié)果。一方面，第1側(cè)沖擊引入塑性應(yīng)變造成的材料硬化效應(yīng)會抑制第2側(cè)沖擊產(chǎn)生的塑性應(yīng)變，且塑性應(yīng)變越大，抑制效果越明顯；另一方面，單側(cè)沖擊會使試樣產(chǎn)生扭曲，而第2側(cè)沖擊激光仍沿未沖擊前試樣法線方向入射，導(dǎo)致激光與實際試樣表面法線產(chǎn)生偏差，降低光斑功率密度，削弱沖擊效果。兩方面作用效果疊加，決定了雙側(cè)異步?jīng)_擊變形場。但由于單側(cè)沖擊的塑性應(yīng)變較小，遠(yuǎn)未達(dá)到飽和狀態(tài)，且試樣扭曲變形較小，傾角對功率密度降低作用有限，導(dǎo)致第1側(cè)對第2側(cè)沖擊影響微弱。根據(jù)最終變形形狀看雙側(cè)異步?jīng)_擊后，塑性應(yīng)變沿深度方向仍然呈現(xiàn)基本對稱的分布，從而使得扭曲變形基本得到恢復(fù)。

圖7 雙側(cè)異步激光噴丸強(qiáng)化試樣塑性應(yīng)變分布示意圖Fig.7 Distribution of plastics strain after double side LP

3.3 殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力測量位置選在邊緣附近靠近中部的區(qū)域。測量過程中在選取的測量位置進(jìn)行19個不同角度的測量，并采用交相關(guān)法獲得該位置殘余應(yīng)力。圖8為1～5號試樣經(jīng)過雙側(cè)異步?jīng)_擊后兩側(cè)表面沖擊區(qū)域殘余應(yīng)力值。由于測量方法的限制，以及鋁合金材料特性（晶粒粗大、存在織構(gòu)）等因素，殘余應(yīng)力測量結(jié)果誤差較大。但是，所有試樣兩側(cè)表面殘余應(yīng)力總體上呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，并且大小基本接近，表明雙側(cè)異步激光噴丸強(qiáng)化方法可以使沖擊區(qū)域獲得殘余壓應(yīng)力場，提高疲勞壽命。隨著功率密度不斷增大，1～5號試樣殘余壓應(yīng)力值基本呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢，這是由于殘余應(yīng)力值基本與塑性應(yīng)變值正相關(guān)，功率密度越大，沖擊產(chǎn)生的整體塑性應(yīng)變就越大，因此會產(chǎn)生更大的殘余壓應(yīng)力。

圖8 雙側(cè)異步?jīng)_擊殘余應(yīng)力分布Fig.8 Residual stress of specimens dual surface with double side alternate LP

4 結(jié)論

針對薄壁結(jié)構(gòu)激光噴丸強(qiáng)化，提出雙側(cè)異步?jīng)_擊的方法，通過不同功率密度激光沖擊薄壁鋁合金試樣的試驗，研究單側(cè)沖擊扭曲變形規(guī)律和雙側(cè)異步?jīng)_擊變形矯正機(jī)制，并研究了雙側(cè)異步激光噴丸強(qiáng)化引入殘余應(yīng)力變化規(guī)律。取得的主要研究結(jié)論如下：

（1）單側(cè)薄壁激光噴丸試驗結(jié)果表明，隨著光斑功率密度的增大，薄壁結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“∧”或“∨”兩種變形趨勢；對另一面采用同樣參數(shù)進(jìn)行激光噴丸后，扭曲變形均基本得到恢復(fù)；

（2）雙側(cè)異步激光噴丸強(qiáng)化方法可以使沖擊區(qū)域獲得殘余壓應(yīng)力分布；提高激光功率密度，沖擊后表面殘余壓應(yīng)力數(shù)值越大。

從試驗結(jié)果可以看到，雙側(cè)采用相同參數(shù)進(jìn)行異步激光噴丸并不能完全消除薄壁結(jié)構(gòu)扭曲變形，需要進(jìn)一步根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)形狀精度控制要求，協(xié)調(diào)優(yōu)化兩側(cè)的工藝參數(shù)，獲得良好的薄壁結(jié)構(gòu)雙側(cè)異步激光噴丸強(qiáng)化效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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