本發(fā)明涉激光增材制造及激光噴丸領(lǐng)域，特指一種通過激光增材制造方式制造渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、葉輪等具有復(fù)雜曲面的構(gòu)件，并通過激光沖擊強(qiáng)化改善其表面應(yīng)力狀況并延長其實(shí)用壽命的延長構(gòu)件服役壽命的制造方法及強(qiáng)化方法。

技術(shù)背景

激光增材制造技術(shù)和激光噴丸技術(shù)是目前最為先進(jìn)的制造和表面強(qiáng)化技術(shù)。隨著現(xiàn)代機(jī)械裝備性能的逐步提升，對(duì)構(gòu)件的性能、壽命、以及體積的要求越來越高，傳統(tǒng)的組裝式構(gòu)件已不能滿足小體積高性能的設(shè)計(jì)要求。高性能機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵部件如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤、方程式賽車汽缸等關(guān)鍵部件的整體制造已成為趨勢。傳統(tǒng)的制造方法只能形成晶粒統(tǒng)一排布的產(chǎn)品，在產(chǎn)品不同區(qū)域形成不同的晶粒排布需要經(jīng)過若干附加工藝，這無疑增加了生產(chǎn)成本，且生成的新晶粒層往往較薄，難以滿足現(xiàn)代機(jī)械的高性能要求。

激光增材制造技術(shù)由于其熱制造的本質(zhì)，其產(chǎn)品表面殘余應(yīng)力難以滿足抗疲勞制造的要求。激光噴丸技術(shù)能夠完美的解決這一問題，激光噴丸技術(shù)能夠精確的調(diào)控材料表面的殘余應(yīng)力，并大幅延長構(gòu)件的使用壽命。然而在實(shí)際應(yīng)用中，構(gòu)件往往存在薄壁單元，并具有復(fù)雜曲面，若不根據(jù)零件的尺寸參數(shù)調(diào)整激光能量則在構(gòu)件薄壁處易產(chǎn)生塑性變形甚至開裂，致使零件失效。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種根據(jù)材料尺寸參數(shù)調(diào)節(jié)激光能量的方法，該方法與增材制造技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)化了增材制造件的產(chǎn)品性能，針對(duì)構(gòu)件不同的區(qū)域做出激光能量優(yōu)化，解決了激光噴丸薄壁件變形的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提出一種延長構(gòu)件服役壽命的制造方法及強(qiáng)化方法。

一種構(gòu)件制造方法，其特征在于，通過激光增材制造的方式制造特殊構(gòu)件，通過對(duì)構(gòu)件實(shí)際工況的載荷分析，通過調(diào)節(jié)送粉速度及材料生長方向，在構(gòu)件不同區(qū)域生成最優(yōu)的抗載荷晶粒尺寸和晶粒排布，從而達(dá)到增加構(gòu)件服役壽命的目的。

一種構(gòu)件激光沖擊強(qiáng)化的方法，其特征在于：首先獲取待沖擊構(gòu)件的尺寸及微觀組織分布，根據(jù)構(gòu)件表面不同沖擊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的零件厚度及晶粒排布選取不同的激光能量e(t，γ，vf),其中t為沖擊點(diǎn)處的構(gòu)件厚度，γ為晶粒排布因數(shù)(0.5-0.9)，vf為體積能量參數(shù)其取值范圍為：1200j/cm³-1800j/cm³，(e為t、γ和vf的函數(shù))，從而對(duì)不同區(qū)域采用不同的激光功率密度進(jìn)行沖擊。

其實(shí)施過程如下：

制造部分：

如圖1所示某型葉片，可將葉片表面大致劃分為4個(gè)區(qū)域，葉片前緣，葉片后緣，葉片頂部及葉身，其中葉片前緣及葉片后緣邊緣區(qū)域在工作中的不光受到葉片運(yùn)轉(zhuǎn)過程中離心力產(chǎn)生的拉伸載荷，還會(huì)受到氣流對(duì)其產(chǎn)生的壓縮載荷，因此在這兩部分的制造過程中保證其晶粒排布方向偏向氣流流向，如圖2所示。而葉身及葉片頂部區(qū)域主要受到的離心力產(chǎn)生的拉伸載荷，所以其晶粒排布采用平行于葉身縱向方向的柱狀晶排布。在激光增材制造過程中，首先設(shè)定送粉速度為v1，縱向逐層制造葉身部分，形成縱向的柱狀晶排布，待葉身部分生長完畢后調(diào)整葉身姿態(tài)，調(diào)節(jié)送粉速度為v2，分別進(jìn)行葉片前緣和葉片后緣的增材制造，形成前緣等軸晶和后緣等軸晶。在葉片的增材制造的過程中，首先，通過同軸送粉的方式激光燒結(jié)形成厚度為t1的基底，基底的厚度及尺寸根據(jù)不同的零件選定，基底凝固后，采用激光噴丸在基底表面形成殘余壓應(yīng)力。噴丸處理后再通過同軸送粉的方式激光燒結(jié)第二層材料，第二層材料燒結(jié)完成后再采用激光噴丸調(diào)控其表面應(yīng)力。其過程如圖1所示。s1增材制造形成基底，s2在基底上制造第二層材料，s3激光沖擊成形的材料判斷零件是否制造完畢，是則進(jìn)行s4熱處理，將零件加熱到再結(jié)晶起始溫度點(diǎn)以上后冷卻，以獲得更加細(xì)化的晶粒，否則重復(fù)進(jìn)行s2-s3直至零件制造完畢。

強(qiáng)化部分:

圖3為葉片截面圖，從圖中可以看出，葉片前緣和葉片后緣的的厚度較小，而葉片中部的厚度較大，為防止在葉片較薄區(qū)域產(chǎn)生沖擊變形，必須根據(jù)葉片表面不同厚度區(qū)域進(jìn)行激光能量優(yōu)化，沖擊點(diǎn)處采用的激光能量密度e＝(t,γ,vf)表1為積能量參數(shù)為1800j/cm³時(shí)葉片表面沖擊點(diǎn)的厚度及其采用的激光能量大小。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1.通過優(yōu)化送粉速度及晶粒排布向制造特殊構(gòu)件，使在特殊工況下的構(gòu)件具有較高的抗疲勞破壞能力；

2.在制造過程中對(duì)每層材料進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，增強(qiáng)了每層材料界面之間的結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)在材料內(nèi)部引入了殘余壓應(yīng)力，提高了整體構(gòu)件的抗疲勞特性；

3.熱處理工藝保證了構(gòu)件具有更加細(xì)化的晶粒結(jié)構(gòu)；

4.根據(jù)不同體積參數(shù)和晶粒參數(shù)優(yōu)化激光沖擊參數(shù)，防止了激光沖擊薄壁部分產(chǎn)生的產(chǎn)品變形時(shí)效，保證了一定層深的表面殘余壓應(yīng)力

附圖說明

圖1是某型發(fā)動(dòng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是葉片表面晶粒排布圖；

圖3是激光沖擊能量分布圖；

圖4是激光沖擊示意圖；

圖5是激光增材制造流程圖。

具體實(shí)施例

以下實(shí)施例用來說明本發(fā)明，但不是限制本發(fā)明。下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明提出的方法的細(xì)節(jié)和實(shí)施情況。

如圖1所示某型葉片1，可將葉片1表面大致劃分為4個(gè)區(qū)域，葉片前緣3，葉片后緣5，葉片頂部4及葉身2，其中葉片前緣3及葉片后緣邊緣5在工作中的不僅受到離心力產(chǎn)生的拉伸載荷，還會(huì)受到氣流對(duì)其產(chǎn)生的壓縮載荷，因此在這兩部分的制造過程中使其晶粒排布方向偏向氣流流向并形成質(zhì)地較密的等軸晶，如圖2所示(前緣等軸晶8，后緣等軸晶6)。而葉身2主要受到的離心力產(chǎn)生的拉伸載荷，所以其晶粒排布采用平行于葉身2縱向方向的柱狀晶排布9。葉片頂部4為易損耗區(qū)域，因此采用晶粒較細(xì)的頂部柱狀晶7。在激光增材制造過程中，先縱向逐漸生長葉身2，待葉身2生長完畢后調(diào)整葉身姿態(tài)，再分別進(jìn)行葉片前緣3和葉片后緣5的增材制造。在激光增材制造過程中，首先設(shè)定送粉速度為v1，縱向逐層制造葉身2，形成縱向的柱狀晶排布9，調(diào)節(jié)送粉速度為v2,進(jìn)行葉頂?shù)闹圃?，形成晶粒較細(xì)的頂部柱狀晶7。待葉身2及葉片頂部4生長完畢后調(diào)整葉身2姿態(tài)，調(diào)節(jié)送粉速度為v3，分別進(jìn)行葉片前緣3和葉片后緣5的增材制造，形成前緣等軸晶8和后緣等軸晶6。在葉片的增材制造的過程中，首先，通過同軸送粉的方式激光燒結(jié)形成厚度為t1的基底，基底的厚度及尺寸根據(jù)不同的零件選定，基底凝固后，采用激光噴丸在基底表面形成殘余壓應(yīng)力。噴丸處理后再通過同軸送粉的方式激光燒結(jié)第二層材料，第二層材料燒結(jié)完成后再采用激光噴丸調(diào)控其表面應(yīng)力。其過程如圖1所示。s1增材制造形成基底，s2在基底上制造第二層材料，s3激光沖擊成形的材料判斷零件是否制造完畢，是則進(jìn)行s4熱處理，將零件加熱到再結(jié)晶起始溫度點(diǎn)以上后冷卻，以獲得更加細(xì)化的晶粒，否則重復(fù)進(jìn)行s2-s3直至零件制造完畢。

強(qiáng)化部分:

圖3為葉片截面圖，從圖中可以看出，葉片前緣3和葉片后緣5的厚度較小，而葉片中部的厚度較大，為防止在葉片較薄區(qū)域產(chǎn)生沖擊變形，必須根據(jù)葉片表面不同厚度區(qū)域進(jìn)行激光能量優(yōu)化，根據(jù)沖擊點(diǎn)處的材料參數(shù)，采用不同的激光能量e(t,γ,vf)，葉片的厚度從葉片頂部4往下逐漸遞增因此激光攻擊功率密度也逐漸遞增(前緣功率密度11，后緣功率密度12)，葉頂功率密度10根據(jù)葉片頂部4不同區(qū)域的厚度值進(jìn)行變化。表1為葉片表面沖擊路徑r1、r2、r3的厚度及其采用的激光能量。

制定好激光能量參數(shù)后，將葉片1裝夾在機(jī)械手13上機(jī)械手13根據(jù)葉片1表的曲率變化不斷調(diào)整葉片1姿態(tài)，保證激光16垂直入射葉片1待沖擊區(qū)域，在葉片1表面黏貼黑漆作為吸收層，涂水機(jī)器人14在葉片表面形成均勻的水膜，激光16由激光頭15射出作用于工件表面，進(jìn)行噴丸。

表1