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第 2 卷
2014 年
9 月刊
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第 2 卷- 2014 年 9 月刊
激光喷丸



激光喷丸将深压剩余应力引进组件临界疲劳区域


图1:激光悬臂梁疲劳样本说明激光喷丸区域和模式化残余应力分布


图2:对照角基础上的实测和模式化残余应力分布


图3:原始和激光喷丸处理的二R级别Ti-6Al-4V拉伸疲劳微动疲劳寿命


图4:激光喷丸拉伸疲劳试样表面中产生的切变裂纹

简介

  LSP Technologies专门从事高功率激光应用,以加强制造部件的耐力、性能和安全。公司为全球制造商提供激光喷丸服务和激光喷丸设备。在美国俄亥俄州都柏林市,LSP Technologies为航空航天和发电行业原始设备制造商提供成千上万的激光喷丸部件,2014年公司给其设施安装了世界最高功率的激光喷丸设备。LSP Technologies也出售高功率、高脉冲率的激光喷丸系统产品线,其范围从20瓦到200瓦以上不等。

  除了激光喷丸,LSP Technologies的服务还包括激光焊接检查系统、材料特性描述、疲劳测试、失效和断烈分析、应力分析、扫描电子显微镜(SEM)图像、金相检测、有限元分析(FEA),张力测定、模具设计、残余应力测量、样机和设计开发。

  激光喷丸(LP)使金属部件获得深层压应力,以抑制或防止因疲劳、高周疲劳、异物损伤、微动疲劳和应力腐蚀开裂造成的失效。它最初的工业应用是在1997年,应用在燃气涡轮发动机叶片上,此后,激光喷丸的应用稳定增长。很多行业采用激光喷丸作为生产工艺以提高损伤容限、疲劳寿命和重要部件强度。涡轮发动机产业、航空航天和发电行业的激光喷丸,已经发展到包含完整的叶片转子(或整体叶盘)、风扇叶片、压缩机机翼、叶片燕尾槽、蒸汽涡轮叶片和核反应堆容器。其他利用激光喷丸获得显著疲劳改善的应用包括生物医学植入物、飞机结构组件和工具模具。新工业和应用结合了包括航空航天、大发动机曲轴、其他发动机部件、齿轮和轮子的工艺。每个应用都得益于激光喷完产生的深层压应力和它能解决零件相关的重大失效问题的能力(设计或材料,制造或操作),或得益于它能使部件不经重新设计而被用在更高要求的环境中。

  激光喷丸对于减轻部件表面异物损伤(FOD)效果特别好。在操作或服役过程中,若零件表面因处理或异物而遭到损伤,它的剩余寿命或疲劳强度会因此大大降低。在许多情况下,遭受这些损伤的激光喷丸部件可以保留其大部分的原始疲劳强度,然而没有经过激光喷丸的部件可能会损失30%到75%的疲劳强度,并大大降低寿命。因此,激光喷丸可以通过增加部件可靠性和减少检查次数、停工时间和更换部件,为公司或其客户节省数百万美元。在本文中,将简短讨论激光喷丸的几个方面。激光喷丸为防止或抑制机器和结构组件的疲劳失效、应力腐蚀开裂、微动疲劳提供了一个其他表面处理所不能实现的解决方法。它也可以与其他表面处理相结合,以利用各自的优势,加强并改进性能。例如,当抛喷丸提供浅表面压应力的大面积覆盖时,激光喷丸可在疲劳关键区提供深压应力,比如角和洞。这种方法被用于涡轮叶片和其他应用上。

应用开发的建模残余应力

  激光喷丸的一个有用特点是,它可以轻易应用在需要它的部件上,这部件可能需要它应用在1平方毫米小的面积,或应用在所需要的很大的面积上。通常面积在大约1到100平方厘米范围内。激光喷丸区域的大小和形状仅由疲劳寿命最大化的需求决定。这给设计工程师开发激光喷丸应用到新的或现有部件上的最佳方法提供很大的灵活度。设计新部件时,激光喷丸扩展了设计选项,使部件设计更高效和有效,这种设计若没有激光喷丸,通常疲劳受限的特点是不可能实现的。除了位置的灵活性,激光喷丸区域的尺寸和形状、压应力的深度也可以在大范围内变化,通过改变加工条件,可以实现从零点几毫米深到5毫米或更深。当将深残余压应力引入部件疲劳关键区时,也必须考虑平衡残余拉应力的位置和大小。否则,疲劳失效可能从初始位置移到附近残余拉应力最高的位置。规定加工选项以完成这项任务的有效手段是使用基于固有应变的有限元分析法。在此方法中,有限元模型由激光喷丸研究的候选部件或组件组成。此模型为不同的激光喷丸应用方法充当观察部件内残余应力分布的工具。有了此模型,可以将各种残余应力图插入模型,还可以观察受部件几何结构影响的应力的重新分布。

  插入到模型中的残余应力分布图代表不同激光喷丸条件下的应力分布。这样,在模型内产生合格残余应力分布的应力分布图代表特定的激光喷丸条件可用来处理部件。通过在适合预期应用的不同激光喷丸条件下处理部件合金样品块或查阅资料来确定残余应力分布图。可用任何可接受方法获得残余应力分布图,但切割法是测量激光喷丸相关的深压应力分布相对便宜、容易达成和较为准确的技术。定残余应力分布图后,将它转变为可插入有限元模型中的应变分布图,以在模型内产生残余应力。将应变分布图插入模型中产生过早疲劳失效的几何特性区域或导致疲劳失效的表面损伤区域。这种方法在关键区域上应用不同深度的残余应力,改变每个需要处理的位置上的激光喷丸区域尺寸和形状,从而带来了极大的灵活性。对于每个应用到模型上的尺寸、形状和激光喷丸条件的组合,插入模型的应变产生的残余应力会以类似于用激光喷丸处理部件所观察到的方式松弛以适应模型几何结构。因此,在实际加工部件前,许多可能激光喷丸方法可以在模型中测试,以确定一个或两个具有最合理残余应力分布的加工条件。这大大减少了为特殊部件和几何结构开发最佳激光喷丸程序的时间和开支,为客户大幅度节省了成本,并快速让产品投入生产。此外,还可以检验加工支出/时间和性能优势权衡。

  这里用悬臂梁形式的钢疲劳试样为例,应力是在悬臂梁自身内测量的,悬臂梁在角区域进行激光喷丸,用x射线衍射测量表面残余应力,通过在角的底部开槽来测量深度分布。实测残余应力接着转换为应变,然后插入悬臂梁整个激光喷丸区域下的有限元模型内,如图1所示,蓝色和绿色代表压应力,橙色、红色代表平衡拉应力。实测和模式化残余应力分布的比较,如图2所示,实测应力分布和应变基础上的应力分布在表面应力大小和深度上有良好的一致性,主要的区别在于梯度的形,模式化梯度比实测更平滑。

微动疲劳

  能够增加疲劳寿命、提高处理和异物损伤抗力的激光喷丸已成为愈发广泛和成熟的加工应用。另一个具有重大潜力的激光喷丸应用是缓和微动疲劳损伤,图3展示了 两侧装有微动衬垫的循环加载的拉伸试样Ti-6Al-4V合金微动疲劳结果,根据R = 0(R=最小压力/最大压力),在4×105次循环时,微动疲劳强度增强60%。微动疲劳试样使用大(直径5毫米)斑点和小(直径1毫米)斑点进行激光喷丸,大斑点激光喷丸后的表面相对平滑,但有轻微的波纹,用较小斑点激光喷丸后,表面粗糙许多,带有反映激光喷丸模式的堆窝。可以预期,较为粗糙的表面会更容易受到微动疲劳的影响,但如图4所示,情况并不是这样,用小斑点和大斑点激光喷丸后的疲劳寿命没有明显的差别。微动后激光喷丸表面的外观与未喷微动表面十分相像,二者都有扩展到表面下约100μm的小切变裂纹,在较大的应力作用下,裂纹会在衬垫下迅速扩展。未经激光喷丸的表面上,这些切变裂纹将转变为垂直于循环拉应力下的表面扩展,然而,在激光喷丸表面上,潜在残余压应力抑制了切变裂纹在循环拉应力下的扩展,直到施加更大的载荷。

  LSP Technologies(LSPT)为生产激光喷丸应用提供激光喷丸系统和激光喷丸服务。LSPT目前在开发包含高重复率激光器和自动化加工的激光喷丸系统,这将为我们的客户减少成本,增加LaserPeenTM加工的产量。其中包括RapidCoaterTM系统,一个自动化加工表面涂层应用的产品测试技术,能大幅提升加工速度和降低成本。与传统激光喷丸相比,RapidCoaterTM系统降低了30-40%的激光喷丸成本,使生产能力提高4-6倍。



LSP Technologies, Inc.
联系人: Steve Dykes
6145 Scherers Place
Dublin, Ohio 43016, USA
电话: +1.614.718-3000
传真: +1.614.718-3007
邮箱: sdykes@lspt.com
www.lsptechnologies.com
 
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