航空發動機葉片激光沖擊強化質量的評估方法

馬澤祥, 郭興旺

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院， 北京 100191)

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航空發動機葉片激光沖擊強化質量的評估方法

馬澤祥, 郭興旺

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院， 北京 100191)

激光沖擊強化是一種新型的表面處理技術，在航空發動機葉片制造中有重要應用。航空葉片在沖擊強化后必須進行質量評估，一般的評估標準是葉片的疲勞強度是否提升或殘余壓應力是否提升。對現有的評估方法進行了綜述，重點對航空發動機渦輪葉片激光沖擊強化的在線無損檢測技術進行了分析和評價，總結了各種方法的特點及其在國內外的應用情況，展望了激光沖擊強化質量在線檢測系統的未來發展趨勢。

激光沖擊； 航空發動機葉片； 質量評估

激光沖擊強化技術(Laser Shock Processing或Laser Shock Peening，簡稱LSP)的原理是利用激光脈沖誘導等離子體形成的高壓沖擊波對工件材料的表面進行處理:使用高功率密度(大于1 GW/cm2)的脈沖激光束透過約束層(Inertial Tamping Layer，一般為2 mm的水簾)和吸收層(Ablative Layer，一般為0.1 mm厚的黑漆涂層)作用在工件表面，激光脈沖的能量使約束層汽化形成等離子體并爆炸產生沖擊波，沖擊波引起的應力波在工件內部傳播，使材料表面發生塑性變形，表層應力分布發生變化，進而使材料的硬度、耐磨性、屈服強度及疲勞強度等得到有效提高[1-3]。沖擊強化機理示意如圖1所示[3]

圖1　激光沖擊強化機理示意

隨著近幾十年的發展，LSP技術在國內外被越來越多地應用于航空發動機葉片的強化處理上。1995年，LSPT公司開始研發用于工業生產的激光沖擊強化系統；1997年，美國GE公司引進了LSPT公司的激光沖擊強化設備，并首次將該技術應用于航空發動機葉片上(F101-GE-102 發動機風扇葉片)，大幅度提升了葉片的抗異物破壞能力和高周疲勞性能。由于該技術能大大節省發動機的維護費用，延長發動機的使用時間，所以到2002年，該技術已經為美國空軍節省了5 900萬美元[4-5]。

然而,對于激光沖擊強化質量的評估，目前的工藝中缺乏對激光沖擊強化質量的在線監控，現有的LSP質量檢測方法主要建立在試驗和經驗的基礎上。激光沖擊強化效果的在線檢測是葉片LSP自動化生產中的一個技術瓶頸。人們希望能夠找到一個快速的質量評估方法，然而疲勞強度的測量是比較復雜的一個過程。近幾十年，國內外學者投入了大量的精力試圖找到更簡單方便的評估方法，對激光沖擊強化質量評估相關的文獻或專利不斷出現。筆者對現有的國內外檢測手段進行了整理與分類:根據檢測所得到最終數值結果與疲勞強度的關系，將檢測手段分為直接測定和間接評估；根據檢測結束后被測工件的受損狀態，將檢測分為無損檢測和有損檢測；根據激光沖擊強化處理是否與質量檢測同時進行，將檢測分為在線檢測和離線檢測(圖2)。最后,筆者在總結各種方法的特點及其應用的基礎上,對激光沖擊強化質量在線檢測系統的未來進行了展望。

圖2　LSP質量檢測分類

1　直接評估

直接測定金屬疲勞強度的方法有低周疲勞試驗和高周疲勞試驗方法，低周疲勞是金屬材料在超過其屈服強度的低頻率循環應力或超過其屈服應變作用下產生的疲勞。航空發動機葉片一般是工作在屈服強度以下，所以，對激光沖擊強化質量最直觀的測量手段是進行高周疲勞試驗(High Cycle Fatigue，HCF)。高周疲勞試驗是指將隨機抽取的工件裝卡在特定的高頻疲勞試驗機上，對工件進行高頻疲勞破壞試驗;通過此方法直接測定被測件的疲勞強度，最終通過抽樣所測得的統計結果評估這一批次工件的激光強化質量。然而，航空發動機葉片生產成本高昂，而LSP又通常是作為最后一道工藝，那么為了檢測葉片的LSP質量而進行破壞性的HCF試驗并不可取，因此必須借助間接的無損評估手段對葉片的LSP質量進行評估。

2　間接評估

激光沖擊強化的間接評估方法包括殘余內應力評估法、表面粗糙度評估法和顯微硬度與位錯密度評估法[6]等。表面粗糙度會對應力集中效應產生影響，進而影響工件疲勞強度；顯微硬度與位錯密度和材料的屈服強度有關，影響材料疲勞強度。

現階段大部分對激光沖擊強化質量的間接評估都是借助對工件殘余內應力的測量(或評估)，以殘余內應力為測量標準，出現了各種各樣在線和離線的測量手段。當然，還有一部分是主動控制激光脈沖參數和涂層控制的方法，但這并不能作為檢測的手段，只能稱之為對沖擊預期效果的主動調整。為了獲得工件殘余內應力的相關參數，筆者根據殘余內應力的測量過程和測量條件，將殘余內應力的測量方法分為離線測量法和在線評估法。

2.1殘余內應力離線測量法

對于殘余內應力的離線測量法，早在20世紀30年代就有國外學者開始了研究，至今其測量理論也已趨于成熟，測量手段繁多,主要包括切槽法、剝層法、鉆孔法等機械釋放測量法和X 射線衍射法、中子衍射法、掃描電子聲顯微鏡法、超聲法和磁性法等無損測量方法。以上測量方法中，部分方法適用于通用材料，如鉆孔法、中子衍射法等[7-8]；而X衍射法只適用于容易找到衍射面的材料如45鋼、鋁合金、鈦合金等；磁性法只適用于磁性材料。對于航空發動機材料，以鋁合金和鈦合金為主，通常采用X射線衍射法作為殘余內應力的測量方法，其精度較高且對葉片材料的結構破壞性小。

2.1.1X射線衍射法

X射線衍射法是根據布拉格定律,對宏觀上可準確測定的衍射角與材料中的晶面間距建立關系來測量殘余內應力的方法。材料中的應力所對應的彈性應變必然表征為晶面間距的相對變化。當材料中有應力σ存在時，其晶面間距d必然隨晶面與應力相對取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角θ也會相應改變。X射線衍射原理如圖3[9]所示。但是，如果要對工件表層下面的殘余應力進行測量，需要去除工件表面的材料，此時從對構件破壞性角度來看，X 射線法已成為有損檢測方法。

圖3　X射線衍射原理圖

空軍工程大學聶祥樊等人[10]對常用的航空發動機材料TC17鈦合金進行激光沖擊處理后，通過X射線衍射儀對沖擊之后的材料進行分析與評估，得出了如圖4[10]所示的結果?？梢?殘余壓應力顯著提升,而對應的疲勞壽命提高了200%～400%(表1)[10]。

圖4　不同功率密度下截面殘余應力分布曲線

雖然X射線衍射法測量的精度較高，但也有局限性，此方法只能測量葉片表面的殘余內應力，并不能測量葉片內部深層的殘余內應力。

表1　飛機葉片在LSP前后的疲勞數據對比

2.1.2中子衍射法

與X射線相比，中子的穿透能力更強，穿透能力能達到厘米級[11]，是常規X射線的數倍。中子衍射法能直接測得工件深層內部的殘余應力且對葉片沒有損傷，就目前而言，中子衍射法是唯一可以測定大體積三維應力分布的方法。但這種方法的研究還處于起步階段，國內外研究報道較少。

無論是X射線衍射法還是中子衍射法，它們都能夠比較精確地測量激光沖擊處理后工件內部的殘余內應力。但它們作為離線測量法，都需要將被測工件從激光沖擊強化工作臺上撤離至專用的檢測設備上，耗時耗力，不利于航空葉片的工業化批量生產檢查，所以這類離線檢測方法只能用于實驗室中,作為其他評估方法提供最終的參考標準，而難以用于批量化工業檢測中。

2.2殘余內應力在線無損評估法

隨著LSP技術近十幾年的快速發展，激光沖擊處理的速度越來越快，LSP技術在美國已經投入到工業應用，服務于航空發動機葉片生產線。隨著激光沖擊儀器設備的改進，激光沖擊頻率越來越快。1995年，MIC(Metal Improvement Co., Inc.)公司研發出了每秒鐘產生10個脈沖的釹玻璃激光儀[1]，沖擊頻率大于10 Hz。在F110發動機上葉片強化的工作效率由以前的每片用時30 min提高到12 min，預計很快就會提高到4 min[5]。為了實現工業化的快速質量檢測，離線的檢測手段已不能滿足生產要求，大量的國內外學者開始研究在線無損評估手段，并取得了重大的進展。

2.2.1“逐點式”檢測

激光沖擊強化不同于傳統噴丸或噴沙的一點在于，激光沖擊的單次沖擊參數可得到非常精確地控制，包括單次沖擊的能量控制、光斑大小控制、涂層控制、點位控制等。在此基礎上，對于工件沖擊效果的檢測不再是等到工件最終處理完成后進行，而是希望能對單次沖擊效果進行實時地評估，最大化地提高工件檢測的評估效率，這里將這種測量方法稱為“逐點式”(shot-by-shot[12])測量法。逐點式評估的一般流程如圖5所示。在“參數配置”預先設置此次葉片被沖擊的總次數N以及允許的最大不合格沖擊次數n;激光沖擊過程中，每單次沖擊不合格，“計數”累加器加1;若計數溢出(大于n)，則工件不通過，否則通過?！爸瘘c式”信號檢測法檢測的內容包括單次沖擊的聲壓大小、等離子體殘余能量的沖擊波幅值(工件內和空氣中)、等離子體沖擊波在空氣中的傳播時間、等離子發射光譜以及激光沖擊參數的主動調整等。

圖5　激光沖擊“逐點式”檢測流程

(1) 聲壓大小

在激光沖擊強化過程中，每一次激光沖擊時發出的聲壓峰值大小與激光脈沖引發的沖擊波能量大小是有一定關系的[13]，聲壓能量的大小直接影響到工件加工質量和表面殘余壓應力。因此，激光沖擊處理時發出的瞬時聲壓可以表征激光沖擊處理的效果，可以使用超聲聲壓傳感器等裝置來獲取工件上的聲壓信號，也可以由遠離工件的麥克風來檢測空中的聲壓信號。

圖6為激光沖擊過程中測得的聲壓信號[14]，根據圖形計算對應工件聲信號的最大值AMAX和聲信號曲線的下方面積AC，兩者構成聲能參數值，然后使用平均值統計函數對其處理而得出“聲壓峰值-工件壽命”經驗曲線圖;或通過試驗得到激光沖擊時的聲量參數與殘余應力、粗糙度等直接質量參數的關系曲線并得出檢測標準;以此來確定單次沖擊的沖擊效果是否達到預期。

圖6　激光沖擊過程中測得的聲壓信號

(2) 空氣中等離子體沖擊波飛行的時間

沖擊波飛行時間測量裝置的結構如圖7所示[15]，由于由等離子體殘余能量產生的沖擊波速度遠高于空氣中的聲音傳播速度,故沖擊波傳感器首先接收到沖擊波信號并記錄數據。通過確定空氣中沖擊波信號的計時起始點(起始信號)和結束點信號(沖擊波傳感器采集到的信號)，可以計算出空氣中沖擊波的飛行時間，結合沖擊波傳感器與沖擊點的距離，計算出空氣中沖擊波的平均速度。

圖7　沖擊波飛行時間測量裝置的結構示意

由于空氣中等離子體沖擊波的速度遠高于空氣中聲波的傳播速度，因此，激光的初始能量越高，由于沖擊引起的沖擊波傳播速度越快，沖擊波飛行到傳感器的時間越短。而沖擊波能量越高，說明更高能量的等離子體對工件做功，沖擊效果越好。王飛[13]對鋁合金進行激光沖擊，測得了沖擊波飛行時間與激光能量的關系,如圖8所示[13]，由圖8能明顯看出,沖擊波在空氣中的傳播時間隨著激光能量的升高而減少。

圖8　傳感器與沖擊點間不同距離(D=30，35 mm)時沖擊波飛行時間和激光能量的關系

(3) 空氣中沖擊波幅值的測量

空氣中沖擊波幅值的測量方式同沖擊波飛行時間的測量類似，但并不需要起始信號。在特定位置測得空氣中沖擊波的幅值越高，說明沖擊波的能量越高，更多的能量用于對工件做工，工件中的殘余壓應力將會更高，沖擊效果更好。

對于“逐點式”的激光沖擊質量評估方法，現階段基本處于理論研究階段，相應的實際測量數據不多，特別是對航空發動機葉片的相關試驗數據甚少。目前,國內更多的學者將研究重點放在了對沖擊工件整體性能的測試上面，即“整體性能”評估方法。

2.2.2“整體性能”評估方法

(1) 固有頻率

由于工件受激光沖擊強化處理后，向工件內部引入了殘余內應力，而工件的殘余內應力會對工件的固有頻率產生影響，文獻證明殘余壓應力提高固有頻率，殘余拉應力會降低固有頻率[16]。

對激光沖擊航空發動機葉片的固有頻率的測量方法有兩種：一是通過接觸式加速度傳感器或非接觸式電渦流傳感器測得的工件模態振動的固有頻率;二是同過聲信號傳感器采集的聲振動信號得到的固有頻率。

圖9為美國專利中得到的葉片振動響應頻譜圖[17]，該專利采用頻譜分析方法得到葉片受沖擊后的頻譜曲線，從圖中可以看到，葉片受沖擊前后固有頻率發生了變化。通過統計出此變化規律，可標定在特定加工參數條件下的“固有頻率改變值-疲勞壽命”經驗曲線。在實際批量化處理過程中，通過測定工件在沖擊過程中的某階(或多階)固有頻率的改變值來衡量工件的沖擊處理質量。

圖9　葉片沖擊前后固有頻率的變化

鄒世坤[18]對航空發動機葉片(1Cr11Ni2W2MoV型不銹鋼)進行激光沖擊強化處理，測量了處理過程中的固有頻率變化，如圖10所示。葉片一階振動頻率隨著激光沖擊次數的增加而明顯提升，能達到良好的檢測效果。但文章并沒有給出固有頻率與疲勞強度之間的直接關系，還有待進一步研究驗證。

圖10　沖擊次數與一階頻率的變化曲線

(2) 宏觀變形量

利用Almen測試計測量工件在激光沖擊過程中的宏觀變形量的方法遺傳了傳統的機械噴丸強化的檢測技術。其工作原理是:工件在進行激光沖擊強化后，通過貼在工件表面的Almen測試計測量工件產生的宏觀變形量以評估工件的內部殘余應力。

美國GE公司在專利[19]中詳細介紹了兩種比較典型的測量方法，如圖11所示。

圖11　Almen測試計測量方法示意

相比于上述的“逐點式”檢測方法，振動固有頻率法和Almen測試計法并不是單次沖擊評估方法，而是屬于階段性評估方法。當激光沖擊處理累計到達一定次數之后，工件整體會發生性能的改變，進而評估參數會發生改變，這樣可得到激光沖擊的階段性成果，具有更加直觀的評估意義;為了與“逐點式”檢測方法相對應，這里簡稱該類方法為“整體性能”評估方法。

3　展望

為了配合激光沖擊強化的工業化應用，離線的檢測手段已不能滿足生產要求，開發在線實時評估系統已經迫在眉睫。一套成熟的葉片激光沖擊強化效果在線無損評估設備所能帶來的科技價值和經濟價值不言而喻。在總結了現有的在線檢測評估手段、綜合考慮“逐點式”和“整體性能”評估手段的優缺點后，筆者認為,將兩者結合統一，開發一套獨立的“復合式”檢測裝置是一個非常有前景的發展方向。“復合式”檢測設備可以用聲壓或等離子波幅值作為“逐點式”參數來源，以葉片振動固有頻率為“整體性能”評估參數來源，從而兼顧沖擊強化的過程及結果。

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Methods of Monitoring Laser Shock Peening for Aviation Engine Blade

MA Ze-xiang, GUO Xing-wang

(School of Mechanical Engineering and Automation, Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191, China)

Laser shock peening is a new surface treatment method for aviation engine blade. Quality assessment for blade is needed after laser shock peening. Generally, the quality assessment criterion is decided on whether the fatigue strength is promoted or whether the residual stress is increased or not. This article summarized the technical features and applications status of most quality assessment methods, especially the NDT methods for aviation engine blade.

Laser shock peening; Aviation engine blade; Quality assessment

2015-02-01

馬澤祥(1989-),男,工學碩士,主要研究方向為無損檢測及渦輪葉片的質量評估。

10.11973/wsjc201510019

TH161+.14; TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0081-06