航空發動機葉片激光沖擊處理過程控制研究

曹子文，鄒世坤，車志剛，許海鷹

（中航工業北京航空制造工程研究所，北京 100024）

1 引言

隨著激光器件技術的發展，強脈沖激光的頻率可以達到1Hz甚至10Hz以上，激光沖擊處理加工效率得到很大提高。美國F110發動機單個葉片的強化時間由最初的每片30min縮短到12min，并可能僅一步縮短到4min。2001～2002年，美國空軍制造技術協會為F119發動機壓氣機整體葉盤生產線發展了特定的激光沖擊強化技術，包括自動快速涂層、工藝參數監控和圖像定位技術，每個整體葉盤的強化處理時間縮短為8h。

LSPT、GE、MIC公司以及日本東芝公司的激光沖擊處理過程控制工藝穩定性一直影響著其應用，并且得到大力研究，取得較大進展。中國的激光沖擊處理相關設備發展較慢，工程應用經驗較少，過程控制工藝穩定性研究比較薄弱。北京航空制造工程研究所擁有多年激光沖擊處理技術研究基礎，于2004年開始水約束激光沖擊強化鈦合金葉片的研究,開展高頻率YAG激光沖擊處理試驗研究，逐步解決了航空發動機葉片的高頻率強脈沖激光沖擊處理技術難題，研究了激光沖擊處理發動機葉片過程控制工藝穩定性的幾大關鍵性因素，并提出了過程控制的解決方案，為激光沖擊處理技術的工程化、自動化應用奠定了基礎。

2 過程控制的關鍵性因素

約束模式的激光沖擊處理包含脈沖激光、約束層、吸收層、金屬靶材4個主體要素，如圖1所示。相應地，過程控制的工藝穩定性分為4個方面：光路的連續、約束層的平整、吸收層的完整、靶材的質量。而這4個因素相互影響的。

2.1 光斑的可調、光路的連續

在激光沖擊處理過程中，由于激光光斑尺寸和激光功率密度一般為固定值，其對工藝穩定性的影響不需要重點考慮。為了保證激光按照工藝要求輻照在金屬表面，光路的控制就顯得尤為重要。光路控制包括關光控制；光斑形狀控制；反射光控制。在工藝穩定性控制特別是出現異常的反饋控制中，關光控制十分重要，如吸收層破損可能導致靶材損傷時需要關光控制。反射光控制可以防止在調光路時破壞外管路和激光器。下面重點描述光斑形狀的控制。

美國GE公司[3]提出采用法拉第隔離器防止激光反射進入激光器，現在工業用的激光器普遍采用了這項技術。RR公司在2006[4]年提出在激光光路中采用掩模方式改變光斑的形狀，從而獲得理想的光斑形式，如圖2所示。掩模整形后的光斑比較常用的是方形，因為方形光斑可以獲得比較好的搭接效果。掩模法可以有效快速地將激光束整形，但激光能量浪費大。北京航空制造工程研究所在激光外光路整形取得了巨大突破，在幾乎零損失能量的情況下實現了圓形光斑向方形光斑的轉換。

在激光沖擊處理過程中，脈沖激光引起等離子體爆炸導致水約束介質以很快的速度向周圍濺射，而當激光沖擊處理頻率較高時，水霧可能濺射到光學鏡片表面或在空氣中阻止部分光路，從而導致激光沖擊處理失敗。因此，在高頻激光沖擊處理過程中，保證光路連續性非常關鍵。目前國內外對光路的清理方面研究很多，基本上以吹氣為主。美國LSPT公司在2003年[5]提出通過吹風、隔膜、風扇等形式清理激光沖擊處理光路上的粉塵和水霧。美國GE公司在2004年[6]采用末端鏡片與工件之間噴出空氣或氮氣氣流來清除影響激光光路的顆粒物(水霧等)，其中涉及到對透鏡焦距、聚焦角度、噴嘴位置等的合理計算。

北京航空制造工程研究所在發動機葉片強化工藝中，為保證光路的連續，采用了焦距長1 m的聚焦透鏡，配合光路上的吹氣和抽氣設計，及時地清理了激光通道，并保證鏡片無污染。在工藝允許的情況下，采用聚焦鏡略微向下傾斜的方法，進一步避免濺射的水污染鏡片，同時也可減少反射光損傷激光器的可能性。具有一定傾斜角度的聚焦鏡對光斑尺寸的影響較小，但葉片運動方向與激光入射方向不垂直時，需要進行焦點位置插補，以保證光斑位置的穩定。

2.2 約束層的平整

激光沖擊處理過程中，在吸收層表面覆蓋的一層對激光透明的介質稱為約束層。其作用是限制靶材汽化、提高脈沖壓力和作用時間。約束層是決定約束方式的主要因素，一般來說，約束層分為固態介質和液態介質。固態介質分為硬介質及軟介質，光學玻璃是常用的硬介質，其優點是對激光能量吸收少、產生的沖擊波壓力高；缺點是只適合對平面表面強化，且沖擊時要產生爆破碎片，難于防護和清理；軟介質對非平面表面的沖擊處理，可以做到很好的貼合，但不適合連續強化。液態介質中水是最常用、經濟的約束介質。水約束分為靜水和流水約束2種方式。靜水在吸收層汽化過程中容易受到污染，且沖擊波會使水表面波動，影響下道沖擊工藝；流水在精確處理中要獲得平整的界面需要較長時間，因而激光沖擊頻率就不可能很高。

激光沖擊后會產生水流不穩定區，因此水流恢復平整需要時間。特別是在葉片邊緣位置，水流不穩定容易造成水簾的厚度不均，局部點甚至會出現透鏡效應，從而導致局部功率密度過高或者破壞吸收層。為保證約束層的平穩，可在葉片邊緣引入導流層，或者采用吸收層超出葉片邊緣的方法進行引流，如圖4所示。采用探測激光以一定角度照射在水約束層，通過水膜上下2個表面的反射光程差，計算得到水膜的厚度，以確定約束層的厚度，如其厚度不滿足工藝要求，則可通過調節空氣噴射裝置的出氣壓力和時間，以控制水約束層的厚度，如圖5所示。

2.3 吸收層的完整

在激光沖擊處理時，靶材表面預置的吸收層是激光能量轉化為機械能的載體，其作用是吸收激光能量產生等離子體，保護靶材表面，防止其熔化或汽化。吸收層是否完整直接影響靶材的質量。但在激光沖擊處理過程中，由于吸收層的質量是不可控制的，一旦出現破損或者鼓起，激光沖擊處理的進程就不得不中斷。吸收層破損原因主要有2個：一是前1個激光脈沖產生的表面波導致后1個沖擊位置的吸收層局部突起，從而導致在下1個沖擊位置吸收層破損；二是光斑搭接處的強化次數過多，吸收層厚度過薄而產生破損。作為激光沖擊處理約束模式中靶材的重要“防線”，吸收層在工藝穩定控制中必須通過3維圖像檢測的方法得到實時監控，一旦出現異常，控制系統應向激光器或光路發出關光指令[8]。

2.4 靶材的質量

靶材的質量是激光沖擊處理工藝穩定性控制的核心，卻是處理過程中不可控制的因素。早期的基于激光沖擊處理凹坑的容量分析的質量保證技術，表面波臨界角確定法，超聲多級變換可旋轉掃描儀器等方法都不能滿足工程化需求[9-11]，后期發展的基于等離子體監測、聲信號監測和固有頻率監測等方法非常適合在線檢測靶材的強化。北京航空制造工程研究所已經建立葉片在線固有頻率檢測系統，在激光沖擊處理葉片過程中，每個激光沖擊都引起葉片固有頻率微小變化，通過葉片固有頻率變化間接控制對靶材產生的沖擊效果。

激光沖擊處理薄壁結構葉片的主要問題是葉片型面控制。一般而言，強化位置的葉片厚度總是變化的，如果葉片強化位置的厚度大于1.5mm，可以采用雙面依次強化；而厚度小于1.5mm的部分，必須采用雙面強化，以最大限度減小型面變形。葉片越薄，應力波達到背表面時的壓力越大，因此，在滿足表面殘余壓應力條件下，對薄壁結構盡可能采用低強度激光沖擊強化，以避免層裂，必要時應考慮在背表面布置吸波層。

3 結束語

激光沖擊處理工藝過程控制的穩定性是隨著該工藝的不斷發展而發展的，目前在水約束激光沖擊處理航空發動機葉片時，需要考慮以下關鍵性因素。

（1）光路的穩定性：保證光路系統快速開關，避免激光反射對激光器的損傷，保證外光路通道清潔。

（2）約束層的穩定：主要采用流水作為約束層，光束相對工件的移動方向避開流水流動方向可有益于水簾的補充，葉片邊緣引入導流層可以保證水流穩定。

（3）吸收層材料采用塑性較好的鋁箔膠帶，及時檢測吸收層的破損以避免激光燒蝕靶材。

（4）采用雙面強化工藝，以減小葉片型面變形；通過在線質量控制技術，保證強化過程穩定的質量。

[1]王健，鄒世坤，譚永生.激光沖擊處理技術在發動機上的應用[J].應用激光，2005，25（1）：32-34.

[2]曹子文，鄒世坤，劉方軍，等.激光沖擊處理1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼[J].中國激光，2008，35（2）：316-320.

[3]Perozek P M, Lawrence W L . Reducing Electromagnetic Feedback During Laser shock Peening [P].U.S. Patent,6917012B2, Jul. 12, 2005.

[4]Westley J A,Jones D,Andrews I.Laser Shock Peeing[P].U.S.Patent,7137282B2,Nov.21,2006.

[5]Clauer A H,Toller S M,Dulaney J L.Beam Path Clearing for laser peening[P].U.S.Patent,6521860B2,Feb.18,2003.

[6]Lawrence W L,Perozek P M.Reduced Mist Laser Shock Peening[P].U.S.Patent,6713716B1,Mar.30,2004.

[7]Dykes S E,Claure A H,Dulaney J L,et al.Overlay Control for Laser Peening[P].U.S.Patent,6548782B2,Apr.15,2003.

[8]Dykes S E,Claure A H,Dulaney J L,et al.Overlay control for Laser Peening[P].U.S.Patent,6841755,Nov.20,2003.

[9]IIardi, J M, Schwartzkopf G. Cleaning Water Substrates of Metal Contamination While Maintaining Wafer Smoothness [P]. U.S.Patent, 5498293,Mar.12,1996.

[10]Trantow R L,Bashyam M.Determination of Rayleith Wave Critical Angle[P].U.S.Patent,5987991,Nov.23,1999.

[11]Trantow R L . Ultrasonic Multi- transducer Rotatable Scanning Apparatus and Method of Use Thereof [P]. U.S.Patent,5974889, Nov.2,1999.

[12]Sokol D W ,Walters C T, Epstein H M, et al. Quality Control Plasma Monitor for Laser Shock Processi ng [P]. U.S.Patent,6254703,Nov. 29,2001