专利名称：阻止裂纹的激光震动喷丸方法
技术领域：
本发明涉及以下共同未决的美国专利申请的相关主题(代理人案卷号为13DV-12143)题为“采用低能量激光器的激光震动喷丸方法”(“LASER SHOCK PEENING USING LOW ENERGY”)的申请；1994年12月22日申请的第08/362,362号题为“空中激光震动喷丸方法”(“ONTHE FLY LASER SHOCK PEENING”)的申请；题为“激光震动喷丸加工的汽轮机风机叶片边缘”(“Laser shock peened gas turbine enginefan blade edges”)的第5,591,009号美国专利；题为“用于防止裂纹或者使之转向的技术”(“Technique to prevent or divert cracks”)的第5,569,018号美国专利；题为“用于激光震动喷丸加工的汽轮机压缩机之叶片边缘的扭转控制方法”(Distortion control for lasershock peened gas turbine engine compressor blade edges”)的第5,531,570号美国专利；题为“用于涡轮机的激光震动喷丸加工的转子元件”(“Laser shock peened rotor components forturbomachinery”)的第5,492,447号美国专利；题为“胶带覆盖的激光震动喷丸方法”(“Adhesive tape covered laser shock peening”)的第5,674,329号美国专利；题为“干式条带覆盖的激光震动喷丸方法”(“Dry tape covered 1aser shock peening”)的第5,674,328号美国专利，所有这些申请或者专利都转让给了本受让人。
本发明涉及一种激光震动喷丸加工的制品和激光震动喷丸加工方法，特别用于生产激光震动喷丸加工的阻止裂纹的阵列，所述阵列由不重叠的激光震动喷丸加工的间隔点组成，所述点具有由激光震动喷丸加工方法所施加的局部残余压应力。
汽轮机、特别是飞行器汽轮机转子常在高转速下运转，这会在叶片上产生高的拉应力和振动应力区域，使得风机叶片更易于受到外部损伤(FOD)。象其它空气动力学现象一样，风机涡流和进口压力变化也会引起振动。FOD会引起裂口或者裂纹，而且在风机叶片翼的导边和尾边中产生应力集中。这些裂口或者裂纹会变成高应力集中源或者使应力增大，并且由于振动应力产生的高循环疲劳(HCF)作用，会极大地限制这些叶片的寿命。
因此，极希望设计和制造一种更长寿命的风机和压缩机叶片以及其它硬金属部件，使之能更好地抵抗低或者高的循环疲劳作用，并比现在的部件更能阻碍裂纹。上述作为参考的美国专利申请直接针对这一目的。它们提供了一种风机叶片的翼，该翼具有深度残余压应力的连续或者空间区域，所述压应力由激光震动喷丸方法形成且至少存在于风机叶片等制品的激光震动喷丸加工表面的向内延伸的部分。这些区域由具有激光震动喷丸方法所施加的残余压应力的多个重叠凸起所构成，这些凸起从重叠的激光震动喷丸加工的圆或者点向内延伸。
由本发明的激光震动喷丸方法所施加的深度残余压应力并不与具有局部弹回残余压应力的工件表面层区域相干涉，所述局部弹回残余压应力是由采用激光束的硬化加工所造成的，利用所述激光束进行局部加热并从而硬化工件，例如象题为“用于修正或者矫直工件的方法和装置”(“Method and apparatus for truing or straighteningout of true work pieces”)的美国专利第5,235,838号所公开的那样。已有技术教导了采用高功率脉冲激光器产生多次辐射脉冲和大约1cm直径的大激光点(laser spot)，以便在工件表面产生震动波，这就象上述参考专利申请和题为“改变材料性能”(“Altering MaterialProperties”)的第3,850,698号美国专利、题为“激光震动加工方法”(“Laser shock processing”)的第4,401,477号美国专利以及题为“材料性能”(“Material Properties”)的第5,131,957号美国专利所公开的那样。应该理解到，本领域已知且在此所采用的激光震动喷丸加工指的是使用来自激光束源的激光束，以便在一部分表面上的连续区域内产生具有强残余压应力的连续区域。该区域是三维的，由从重叠的激光震动喷丸的圆或者点向内延伸的各个凸起聚合而成。激光喷丸方法已用于在工件的外表面形成压应力保护层，已知这可以明显地增强工件对疲劳失效的抵抗力，正如题为“激光喷丸系统和方法”(“Laser Peening System and Method”)的第4,937,421号美国专利所公开的那样。激光震动喷丸加工的制造费用应重点考虑，因为初始费用和工作费用可能十分昂贵。象本发明一样，公开在上述专利08/362,362中的用于激光震动喷丸加工的“空中”激光震动喷丸加工方法设计成节约费用的形式。已有技术教导了采用直径数值约为1cm或者更大的大激光点以及高功率激光器。制造商在不停地寻找能够减少时间、费用以及加工复杂性的方法。(代理人案卷号为13-12143的)题为“使用低能量激光器的激光震动喷丸加工方法”(“Lasershock peening using low energy laser”)共同未决的美国专利申请公开了一种采用低能量激光束的激光震动喷丸加工方法，所述能量数值约为3-10焦耳，最好在3-7焦耳的范围内，其激光束点的直径约为1mm，该方法直接用于减少时间、费用和激光震动喷丸工艺的复杂性。总希望能设计出一种技术方案来实现这种节约，本发明的目的即针对于此。
本发明提供了一种金属制品，在该制品的至少一部分上具有至少一个激光震动喷丸加工的表面和多个空间上相隔开的激光震动喷丸加工的凸起，这些凸起从所述激光振动喷丸表面向制品内延伸，其中凸起具有由激光震动喷丸方法(LSP)施加的深度残余压应力。本发明还包括位于表面上的相隔开的圆形激光束点，激光震动喷丸加工的凸起从所述表面上延伸进所述制品，使得所述那些点不重叠。这些凸起通常在从所述点向内延伸的方向上具有减小的横截面积。所述多个凸起最好包括至少一个凸起阵列，这一阵列带有等距间隔的圆形激光束点。
本发明包括一种用激光震动喷丸工艺加工硬金属制品的方法，即采用带有足够能量的激光束向制品至少一部分上的激光震动喷丸表面的不同点发射，以在激光束点周围的表面上使材料汽化，所述点由激光束打在表面上的点形成；使水帘在表面上流动，所述表面是激光束发射的表面；发射激光束，以形成多个空间上相隔开的激光震动喷丸加工的凸起，这些凸起从点向制品内延伸，使得这些凸起具有由发射激光束产生的深度残余压应力。该表面可以首先涂覆有激光束能使之汽化的烧蚀材料。该方法可以是空中激光震动喷丸方法，即还包括连续地移动制品，同时连续地发射静态激光束，即在相对持续的时间段内重复发出脉冲。
本发明的一个特定方法采用了低功率激光束，其功率约在3-10焦耳之间并形成直径约为1mm的激光束点。每一脉冲的瞬时曲线可具有约20到30毫微秒的持续时间段以及少于约10毫微秒的升跃时间。在本发明的还一个特定实施例中，升跃时间约为4毫微秒，激光的能量约为3焦耳。
本发明用于带有导边和尾边的汽轮机叶片，制品的部分是这两条边之一，并且激光震动喷丸表面沿着一条边的至少一部分径向延伸。
本方法可以包括同时对两个激光震动喷丸加工的表面进行激光震动喷丸加工，每一表面位于叶片两侧中的一个之上；并且连续地移动叶片，同时向叶片部分上连续地发出两股静态激光束。该实施例还包括使用激光束以便汽化所述部件部分的两个表面上的材料，使脉冲环绕激光束点，所述激光束点是由激光束打在表面上形成的，这样形成了具有从激光震动喷丸表面向叶片内延伸的深度残余压应力的凸起；使水帘在表面上流动，同时移动叶片，其中所述表面是激光束发射的表面。该叶片可以线性移动，以产生至少一列不重叠的等距间隔开的圆形激光束点，所述点等距间隔开且中心位置线性对齐。该叶片还可以进一步移动，并且发射激光束，以生产出多于一列的圆形激光束点，所述激光束点具有大致相等的间距且中心位置线性对齐，而且相邻列上的点不重叠。可以发射激光束并且移动叶片，使得相邻列上相邻点的中心位置在中心位置沿其线性对齐的直线方向上相互偏离大致相等的距离。可以使用激发式(Excimer)激光器，它采用能够在紫外线区域发射激光的气态介质。
本发明具有以下优点不必对整个表面进行完全的激光震动喷丸加工以保护表面下的区域不因为疲劳裂纹而产生失效。本发明的优点在于采用比已有技术少得多的激光震动喷丸处理就能在初始裂纹可能引起疲劳裂纹失效之前更有效地阻止了初始裂纹。本发明的诸多优点之一是一种更快并且更有效的方法，使在高拉应力和振动应力区域工作的汽轮机部件、特别是叶片一部分上的激光震动加工表面更能经受由于风机叶片导边和尾边中的缺口和裂纹引起的疲劳失效，并具有比传统结构的风机叶片更长的寿命。与已有技术相比，本发明的激光震动喷丸加工生产线可以更廉价地建造，因为所需资金更少，并且因为本发明的方法采用了低能量激光器，所以生产线的改进、设计和建造的复杂程度较低。本发明的另一个优点是风机和压缩机叶片能够以更省钱的方法制造，从而能在不增加导边和尾边厚度(象传统叶片一样)的情况下，制成更经济且具有可接受寿命的翼。本发明的优点是可用廉价方法重新修整现存的风机和压缩机叶片，使旧的汽轮机风机叶片能够安全和可靠地工作，同时避免了现在常做的或者需要进行的昂贵设计或者对不可靠的风机叶片进行频繁更换的做法。
本发明的上述方面和其它特征将结合附图在下面的描述中进行说明，其中
图1是根据本发明方法所述的利用激光震动喷丸加工的飞行器气轮机风机叶片实施例的透视示意图。
图2是根据本发明所述的另一种飞行器气轮机风机叶片的透视示意图，该叶片上带有经过激光震动喷丸加工的导边径向延伸部分。
图3是沿图2中线3-3剖开的风机叶片的截面图。
图4是根据本发明最佳实施例的、从激光震动喷丸加工表面上的激光震动喷丸加工后的圆点向内延伸的激光震动喷丸加工的凸起的透视示意图。
图5是根据本发明最佳实施例的、在空间上相隔开的激光震动喷丸加工后的凸起的特定图案示意图；图6是图5中激光震动喷丸加工的圆点的俯视图。
图6A是围绕图6中两个激光震动圆点的应力区域的示意图。
图7是图1中被喷涂并安装在激光震动喷丸系统中的叶片透视示意图，表示了本发明的方法。
图8是图7所示装置的局部截面和局部示意图。
如图1、2和3所示，风机叶片8带有用钛合金制成的翼34，它们从叶片平台36径向向外延伸到叶片顶端38。这是那种硬质金属部件和材料的典型代表，即本发明要改进的制品和方法。风机叶片8包括一个向内沿径向延伸的根部40，它从平台36延伸到根部40的径向向内延伸端37。根部40的沿径向向内延伸端37是一个叶片根部42，它通过叶片体44与平台36相连。翼34沿弦线方向在导边LE和翼的尾边TE之间延伸。在图2所示的每一叶片横截面中，翼34的弦线C位于导边LE和尾边TE之间。翼34的压力侧46大致正对箭头所示的转动方向，吸入侧48位于翼的另一侧，并且中线ML大致设置在弦线方向上两面之间的中间位置。
风机叶片8具有一个导边部分50，该部分50沿着翼34的导边LE从叶片平台36向叶片顶部38延伸。导边部分50具有预定的第一宽度W1，该导边部分50围绕着缺口52，并且沿着翼34的导边可能产生裂缝。翼34承受明显的拉应力，这是因为在发动机工作时，风机叶片8产生离心力。翼34还承受在发动机工作时产生的振动力，并且缺口52和裂纹作为高循环次数的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，所示裂缝线会从开始的裂纹或者微裂纹、缺口和裂痕扩张或者发散，压力侧46和吸入侧48中至少一个但最好是两者都具有激光震动喷丸加工的表面54，该表面上具有由预压过的、空间上隔开的激光震动喷丸加工的凸起53组成的阵列56，这可参见图4-6，该表面具有用本发明的激光震动喷丸(LSP)方法形成的深度残余压应力。空间上隔开的激光震动喷丸加工的凸起53所形成的阵列56构成了“阻止裂纹”(“ripstop”)的效果，即通过横向阻止裂纹，完全阻止初始裂纹57穿过或者围绕各激光震动喷丸加工的凸起而扩散。这就不需要为了完全填充和预压位于具有挤压残余应力的激光震动喷丸表面下方的制品内的整个区域而采用激光震动喷丸方法加工整个激光震动喷丸表面54。
即使激光喷丸点并不能形成连续的重叠图案，本发明仍能阻止疲劳裂纹，这是因为围绕邻近点58的径向挤压应力的挤压外部区域Z延伸到了点圆周P的外面。邻近点58的径向挤压应力区域Z可以象图中所示的那样重叠。这在图6A中表示出来，它显示了图6中阵列56之外的两个邻近的点58。LSP方法挤压了点58内侧的激光震动喷丸材料，迫使激光震动喷丸材料向外压靠着周围的未经喷丸的材料，并如图6A中的A、B和C1位置所示，在点内的所有方向上建立了相对均匀的挤压区域。恰好在点58边界的外部，即在D1、E和F位置上，圆周应力变成了拉应力，以标号TS和相互远离的箭号所指示，这是为了平衡点内的挤压应力，但是在边界在位置D1、E和F处的径向应力在超过点的边界P一定距离处仍保持压应力状态。因为点58相互邻近但不接触，其间存在区域Z，区域Z中的应力垂直于增长的裂纹57，该应力在图示的位置F和G处是压应力状态。在LSP点58之间要增长的任何裂纹57将遇到这一压应力区域Z并减缓增长或者受阻。另外，在各点周围的圆周拉应力TS将阻止裂纹从图6A中的右侧向左侧增长。如D1和E所示的残余圆周拉应力将吸引裂纹从右侧向左侧生长，使裂纹路径折向LSP点的中心。越接近点，这种吸引力越大，直到裂纹到达点的圆周P处，在该圆周P处，圆周残余应力迅速地从拉应力变为压应力，并且裂纹停止扩张。这样，在每一点周围的残余拉应力都有助于将任何疲劳裂纹从其通常的路径偏转到最高压应力区域，从而使隔开的点的效果达到最佳。
本发明最好使用低功率激光器，其输出功率约为3-10焦耳，在图5和6所示的激光震动喷丸表面上产生直径D约在1mm(0.040英寸)到2mm(0.080英寸)范围的小直径激光点58。其结果是分别产生表面激光能量密度大约400焦耳/cm2到100焦耳/cm2的激光。这就形成了如图3和5所示的从激光震动喷丸表面延伸到翼34的预应力凸起53的阵列56。激光脉冲的瞬时曲线最好是约20-30毫微(10-9)秒的保持时间，升跃时间最好小于约10毫微秒，通常最好是约4毫微秒。已发现更短的脉冲瞬时条件能够增强LSP效果，能够在元件内产生更深的残余压应力。已经证明具有约45毫微秒的持续时间和约24毫微秒的导边升跃时间的激光脉冲瞬时曲线能够达到满意效果。对于实现LSP来说，这一瞬时曲线显得比较长。
尽管如此，带有相对小脉冲瞬时参数的低功率激光器仍能产生深入元件的残余压应力。已经测量出用低功率激光器能够在试样中产生0.75mm(0.030英寸)的压应力。这可与射流喷丸极限0.254mm(0.010英寸)和其他情况下报道的高能量激光器所达到的接近1.27mm(0.050英寸)的深度相比较。当缩短导边瞬时升跃时间并从而缩短了脉冲持续时间时，短促的升跃时间使得喷射波更快并增加了喷射波能量和最终的压力，因而低能量激光器的穿透深度能够得以增强。希望采用3焦耳的激光，并且其升跃时间是5毫微秒，这能在金属表面产生超过1.27mm(0.050英寸)的压应力。
如上文所述，可以采用具有更大功率的更大激光器。最好是带有导边部分50的阵列56在弦线方向上共同扩展到宽度W1的全部范围内，并且在翼34中足够深，以阻止在宽度W1的至少一部分内可能产生的任何裂纹57。所示的阵列56在径向上沿导边LE与导边部分50共同延伸，但是也可以更短一些。激光束震动在阵列56的激光震动喷丸凸起53中产生深度残余压应力，其通常为约50-150KPSI(每平方英寸千磅)，并从激光震动表面54延伸到由翼34所代表的制品中约20-50密耳的深度。激光束震动引入的深度残余压应力可以用重复发射两股高能量激光束2的方法产生，每一激光束都相对于表面54在导边LE的两侧产生正负几密耳的散焦，在表面54上覆盖有烧蚀涂层55，例如专利5,674,329和5,674,328中所公开的油漆或者条带。空间上隔开的激光震动喷丸凸起53的阵列56是通过将激光震动喷丸加工的圆点58隔开而不是重叠而形成的，如图5和6所示。
参见图7和图8，通过重复发射两股低能量激光束2产生了激光束震动引入的深度残余压应力，每股激光束都相对于表面54在导边LE的两侧产生正负几密耳的散焦，在表面54上覆盖有烧蚀涂层55。该激光束最好发射通过流动的水帘，该水帘从带有涂层的激光震动喷丸表面54上流过。油漆、条带或者其它烧蚀涂层55被烧蚀，产生等离子体，其导致材料表面产生震动波。作为替代油漆的适当替换实施例，也可以采用其它烧蚀材料来涂覆表面。这些涂覆材料包括金属箔或者粘贴塑料条带，如美国专利5,674,329和5,674,328中所公开的那样。这些震动波在流动的水帘作用下朝着涂覆表面重新定向，在涂覆表面下方的材料中产生运动的震动波(压力波)。这些震动波的幅值和量决定了压应力的深度和密度。所述烧蚀涂层用于保护目标表面，并也产生等离子体。如图7和8所示，根据本发明的一个实施例，装置1带有叶片8，叶片8安装在通常公知的机械手27上，所示机械手27用于连续地移动叶片并将其定位，以形成“空中”激光震动喷丸加工。在各导边LE的压力侧和吸入侧46和48的激光震动喷丸加工表面54上涂覆有烧蚀涂层55。接着，叶片8连续移动，同时连续地发射静态激光束2通过表面54上的流动水帘21，并形成隔开的激光震动喷丸圆点58。水帘21由从传统供应水管19末端的传统水喷嘴23来供应。激光震动喷丸装置1具有传统的发生器31和镜片35，发生器31带有振荡器33和预放大器39A以及分光器43，所示分光器43将预放大的激光束分成两束光路，每一光路分别具有第一和第二放大器39和41，所述镜片35包括光学元件，它们将光束2传递并聚焦在激光震动喷丸表面54上。还可以使用控制器24以调节和控制激光束装置1，使之将激光束2以受控方式发射到激光震动喷丸表面54上。烧蚀涂层材料被流动的水帘冲洗掉。
该激光能够在“空中”顺次发射，使得激光震动喷丸表面54能够以多于一次的涂覆表面和此后对表面进行的激光震动喷丸加工来经受激光震动喷丸处理，同时在叶片8的翼34和激光束2之间连续有效地移动，如图7和图8所示。在该实施例中，在翼34移动的同时，朝表面54上连续发射激光束2，使得邻近的激光震动喷丸加工的圆点以相间隔开的方式受击，而不是以重叠位置受击。涂覆加工和激光震动喷丸加工的序列操作可以重复多次，以获得所需的残余压应力强度和激光震动喷丸凸起53的深度。
图5和6表示了隔开的激光震动喷丸圆点，其小直径D在大约1mm(0.040英寸)到2mm(0.080英寸)的范围内，它们对应的中心隔开超过一个直径D的长度，并且各列的中心线隔开稍小于一个直径D的长度，使得点58均不重叠。
该方法设计成如下形式，即仅使原始或者近乎原始的涂覆区域被烧蚀，而不在翼的表面上产生任何明显的瑕点或者破损点。这是为了防止在激光作用下产生小瑕疵或者再次烧蚀点，因为在叶片加工中，激光可能会产生不期望的空气动力学作用。为了覆盖整个图案，可能需要重复几次这种序列操作，并且在每一发射激光之间，重复涂覆激光震动喷丸表面54，其中各点58受击多次。激光发射过程可以是多次的激光发射，或者是在发射之间有一段时间的脉冲发射，后者通常被称为“重复发射”(“rep”)。在重复发射期间，零件移动，使得下一次脉冲发射到下一个激光震动喷丸圆点58的位置处。该零件最好连续移动，并且控制时间，使之到达脉冲激光束或者发射激光束的合适位置。这一序列操作可以进行一次或者多次重复，以对各激光震动喷丸圆点58进行多于一次的打击。在每一次发射激光或者激光脉冲中，也允许采用较小的激光功率。
本发明的一个实施例是风机叶片8，它具有一个大约11英寸长的翼，一个大约3.5英寸的弦线C，一个沿导边LE的大约2英寸长的激光震动喷丸表面54。该激光震动喷丸表面54大约0.5英寸宽(W1)。本发明采用了三次涂覆和连续发射激光以及叶片移动的序列操作。在重复循环中，向点58发射激光，所述点58位于未被烧蚀的涂覆表面上，这些表面在每一次序列操作之间都需要重复涂覆。每一点58都受击三次，因此采用三次序列操作以用于激光震动喷丸表面54的总共三次的涂覆和再涂覆。与已有技术相比，本发明的次数相对较少，因为在已有技术中，在仍旧击打原始材料的情况下，为了形成连续的激光震动喷丸区域，四个不同的序列操作必须使用三次，这就需要十二次涂覆和再涂覆。
激光震动喷丸过程开始于第一次涂覆表面54和进行激光震动喷丸加工，在第一次序列操作中，每个点都被激光震动喷丸加工一次，最好是使用空中加工方法，其中叶片连续移动，并且激光束连续发射或者发出脉冲。通过控制时间，使零件以给定的顺序在邻近的激光震动喷丸点之间移动。该时间段与发射到叶片上的连续激光脉冲之间的重复间隔相一致。重叠的激光震动喷丸加工的圆点58组成的所有列均包括依次间隔开一定距离的点，使得相同序列操作的其它激光震动喷丸加工的圆点并不影响其周围的涂覆。在发射激光之间，被激光震动喷丸加工的激光震动喷丸表面54的整个区域都被涂覆。再次涂覆的步骤避免了任何激光震动喷丸表面的裸露金属直接被激光束击打。还发现最好对每一点58进行3次或者更多次的激光震动喷丸处理。
已经发现可以在使用空中激光震动喷丸加工的方法中，无需任何涂覆就可以对零部件进行激光震动喷丸加工，因为不进行再次涂覆，所以这会节约大量时间。另外，由于经常希望对每一表面进行多次激光震动喷丸加工，特别是进行三次加工，所以在不进行任何涂覆而进行激光震动喷丸加工的情况下，能够减少对表面的涂覆量。产生的等离子体由叶片或者其零件自身的金属合金材料构成。在这种情况下，在该过程的激光震动喷丸加工或者脉冲加工完成之后，激光震动喷丸加工的表面上会留下再次熔化体。这种再次熔化体通常由许多公知方法中的任何一种加以去除，例如通过以机械或者化学方法去除涂层。在空中激光震动喷丸加工中的非涂覆零件的用途将取决于零件的厚度，并且必须对薄翼的导边和尾边给予特别的注意。应该注意到等离子体和没有涂层的金属合金再次硬化并形成了公知的再次熔化体，因此需要用任一种公知的方式将其去除。
再仔细参见图2-3，本发明包括对风机叶片8的导边LE或者尾边TE部分之一或者这两部分进行激光震动喷丸加工，以生产激光震动喷丸加工的表面54和由具有上述激光震动喷丸方法(LSP)产生的深度残余压应力的被预加应力且在空间上隔开的激光震动喷丸凸起53所构成的相应阵列56。该激光震动表面和位于尾边TE部分上的相应的预应力区域与上述导边LE部分的构成形式相同。导边LE上的缺口可大于尾边TE上的缺口，因此，导边部分50的第一宽度W1可大于尾边部分70的第二宽度W2，所示尾边部分70也可以受激光震动喷丸加工。作为一个实施例，W1可以约为0.5英寸，而W2可以约为0.25英寸。再次参见图2A，希望仅对LE到TE中的L1部分、而不是对图2所示的整个长度进行激光震动喷丸。
图2A表示了本发明，它用在了预加应力且在空间上隔开的激光震动喷丸凸起53的阵列56的部分导边长度L1上，所述阵列56分布在导边LE的激光震动喷丸加工表面的长度L1上，其通常与预定的节线59对中，所述节线59与导边LE相交。节线59最好是由于振动应力作用导致的主要失效形式之一。这一应力可能由叶片弯曲或者扭转时激发。这一主要失效形式并不总是最大的应力形式，而可能是低应力形式，或者是在发动机工作期间长期存在的组合形式。作为一个实施例，图2A所示的预定节线59是根据第一弯曲方式作出的。在这种方式下，导边LE这一区域上的缺口52最有可能使叶片在共振作用下失效。另外，作为实施例，激光震动喷丸表面长度L1是导边的局部长度，并且包括位于阵列56中的预应力激光震动喷丸凸起53，所述阵列56可以沿导边LE延伸风机叶片从顶端38到平台36的长度的20％。
本发明使用比已公开技术能量更低的激光束，这些激光束可以用不同的激光材料产生，例如搀有钇铝石榴柘的钕(Nd:YAG)、Nd:YLF和其它材料。这些低能量激光器的优点是它们能以明显更高的频率发出脉冲，即每秒钟发出多次脉冲，而且它们都是能够从供应商那里得到的现成激光器。
实施例对于可比较的200焦耳/cm2的表面能量密度，一个50J的高能量激光器每4秒钟产生一个脉冲，并且每一脉冲覆盖0.25cm2的区域。一个3焦耳的低能量激光器，例如本发明的激光器，每秒钟可产生10个脉冲并覆盖0.015cm2的区域。结果是区域面积比高能量脉冲缩小了16.7倍，但是3焦耳的低能量激光器的脉冲频率是高能量激光器的40倍。净效果是如果使用低能量激光器，在激光震动喷丸加工的给定时间段内，整个覆盖面积提高了2.4倍。
一种特别有用的激光器是激发式激光器，它使用能够在紫外线区段中产生激光的气态介质。这些激光器传送毫微秒的脉冲并且当前每一脉冲都接近10J，并在激光震动喷丸表面上的小型或者中型点上产生明显的冲击。另外，紫外线辐射与硬的飞行器发动机合金之间的相互作用降低了热传递，并且与烧蚀工艺类似，即通过熔化和蒸发从栅格结构上去除材料。这一特征在激光震动喷丸方法中是很明显的，即表面损伤(熔化和再次固化)不仅是能够远离由激光震动喷丸方法所形成的任何改进特征。该紫外线辐射可以减少或者消除对外部涂层的需要，以保护目前认为在Nd玻璃激光震动喷丸加工中所需的表面。
使用低能量激光器的另一个优点是它们通常是更耐用的工业工具。一般来说，对于低能量灯源激光器，其维护周期可超过一百万次脉冲，并能接近几千万次脉冲。而一般的高能量激光器的维护周期约为几万次发射，并能够接近5万次发射。这样，与高能量激光器的5万次脉冲维护周期相比，低能量激光器所需的脉冲次数是其16.7倍，其保守的维护周期是1千万次脉冲，低能量激光器与高能量激光器相比需要十分之一的维修。
很难用比例来衡量的低能量激光器的另一个优点是关于系统的复杂性。低能量激光器具有三个或者四个小激光头，6或者8个闪光灯以及相对较小的动力源。而高能量激光器可能具有最少五个激光头，其中四个相对较大，还具有相应的大动力源以及10到18个闪光灯。一些在别处公开的高能量激光器具有14个激光头、10个大动力源以及超过40个闪光灯(在任何一种激光器系统中都是高维修率部件)。任何激光加工都取决于该系统中所有部件的成功工作头、灯、动力源和控制器。与复杂性较低的低能量激光器相比，高能量激光器中的全部耐磨损件数目和产生大量元素所需的大量脉冲数目使得高能量激光器的可靠性得不到保证。
低能量激光器的另一个优点涉及费用和供应情况。低能量激光器能够从多个供应商那里在大约90天内获得，花费大约$100,000。一般的LSP系统需要两个低能量激光器，总价格是$200,000。而高能量激光器的价格超过$1,000,000并可能接近$4,000,000，而且需要多于6个月、有时是一年的时间才能获得。作为特殊设计，高能量激光器需要特定的备件，这些备件也需要很长的准备时间并且价格昂贵。
尽管为了解释本发明的原理对本发明的最佳实施例作了详尽描述，但是应该理解到，在不脱离本发明所附的权利要求所述的范围内，可以对最佳实施例做出变形或者替换形式。
权利要求
1．一种金属制品，包括位于该制品的至少一部分上的至少一个激光震动喷丸加工的表面，多个空间上相隔开的激光震动喷丸加工的凸起，这些凸起从所述激光震动喷丸表面向制品内延伸，以及所述凸起具有由激光震动喷丸方法(LSP)施加的深度残余压应力。
2．如权利要求1所述的制品，还包括位于所述表面上的相隔开的圆形激光束点，激光震动喷丸加工的凸起从所述表面延伸进入所述制品，且所述那些点不重叠。
3．如权利要求2所述的制品，其特征在于，所述凸起在从所述点向内延伸的方向上具有减小的横截面积。
4．如权利要求3所述的制品，其特征在于，所述多个凸起包括至少一个凸起阵列，这一阵列带有等距间隔开的圆形激光束点。
5．一种用激光震动喷丸工艺加工硬金属制品的方法，所述方法包括以下步骤向制品的至少一部分上的激光震动喷丸表面的不同点发射激光束，采用带有足够能量的激光束，以便在激光束点周围的表面上使材料汽化，所述点由激光束打在表面上的点来形成，使水帘在表面上流动，所述表面是激光束发射的表面，以及发射激光束，形成多个空间上相隔开的激光震动喷丸加工的凸起，这些凸起从所述点向制品内延伸，使得这些凸起具有由发射激光束产生的深度残余压应力。
6．如权利要求5所述的方法，其特征在于，该表面涂覆有激光束能使之汽化的烧蚀材料。
7．如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多个凸起最好包括至少一个从等距间隔开的圆形激光束点向制品内延伸的凸起阵列。
8．如权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法是空中激光震动喷丸方法，还包括连续地移动制品，同时连续地发射静态激光束，所述激光束在相对持续的时间段内重复发出脉冲。
9．如权利要求6所述的方法，还包括采用了约在3-10焦耳之间的低功率激光束，并形成直径约为1mm的激光束点。
10．如权利要求9所述的方法，还包括采用了持续时间段约为20到30毫微秒且升跃时间少于10毫微秒的每一脉冲的瞬时曲线。
11．如权利要求10所述的方法，其特征在于，升跃时间约为4毫微秒，激光的能量约为3焦耳。
12．如权利要求10所述的方法，其特征在于，制品是带有导边和尾边的汽轮机叶片，制品的部分是这两条边之一，并且激光震动喷丸表面沿着一条边的至少一部分径向延伸。
13．如权利要求12所述的方法，还包括同时对两个激光震动喷丸加工的表面进行激光震动喷丸加工，每一表面是叶片两侧之一，连续地移动叶片，同时向叶片部分上连续地发出两股静态激光束，使用激光束以便汽化叶片部分的两个表面上的材料，让脉冲环绕激光束点，所述激光束点是由激光束打在表面上形成的，由此形成具有从激光震动喷丸表面向叶片内延伸的深度残余压应力的凸起，以及使水帘在表面上流动，同时移动叶片，所述表面是激光束发射的表面。
14．如权利要求13所述的方法，其特征在于，叶片线性移动，以产生至少一列不重叠的等距间隔开的圆形激光束点，所述点大体等距间隔且其中心位置线性对齐。
15．如权利要求14所述的方法，其特征在于，叶片移动，发射激光束以产生多于一列的圆形激光束点，所述激光束点具有大致相等的间距且中心位置线性对齐，而且相邻列上的点不重叠。
16．如权利要求14所述的方法，其特征在于，发射激光束并且移动叶片，使得相邻列上相邻点的中心位置在中心位置沿其线性对齐的直线方向上相互偏离大致相等的距离。
17．如权利要求14所述的方法，其特征在于，使用激发式激光器发射激光束，所述激光器采用能够在紫外线区域发射激光的气态介质。
18．如权利要求14所述的方法，其特征在于，从搀有钇铝柘榴石的钕(Nd:YAG)型激光器中发射激光束。
全文摘要
一种金属制品以及用激光震动喷丸工艺加工硬金属制品的方法,在该制品的至少一部分上具有至少一个激光震动喷丸加工的表面和多个空间上相隔的激光震动喷丸加工的凸起,该凸起从所述激光振动喷丸表面向制品内延伸且具有由激光震动喷丸方法(LSP)施加的深度残余压应力,所述激光振动喷丸表面上具有间隔开的不重叠的圆形激光束点,该表面可以首先涂覆有激光束能使之汽化的烧蚀材料,而该方法可以是空中激光震动喷丸方法。
文档编号C21D10/00GK1220934SQ9812543
公开日1999年6月30日 申请日期1998年12月18日 优先权日1997年12月18日
发明者T·J·罗克斯特罗, P·K·赖特三世 申请人:通用电气公司