利用夾在對激光透明的固態(tài)媒介與目標之間的液體流路徑來對目標執(zhí)行激光沖擊噴丸的 ...的制作方法
【專利說明】利用夾在對激光透明的固態(tài)媒介與目標之間的液體流路徑來對目標執(zhí)行激光沖擊噴丸的系統(tǒng)和方法
[0001]發(fā)明的背景
[0002]本發(fā)明涉及用于執(zhí)行激光沖擊噴丸(LSP)的裝置和方法。本發(fā)明尤其但不限于涉及在激光沖擊噴丸(LSP)處理期間在確定有效能量轉(zhuǎn)換時對氣蝕事件的第一氣泡振蕩周期的使用。
[0003]常規(guī)噴丸(SP)是一種冷加工處理，借此壓縮殘余應力被引入金屬材料的表面層以改進機械性質(zhì)。SP的處理典型地包括用諸如金屬、玻璃或陶瓷顆粒之類的顆粒來撞擊零部件表面以可塑地使材料變形，從而改變機械性質(zhì)?；诩す獾募夹g(shù)中的改進在SP處理中提供了可能的改進，后者繼而在制造業(yè)中提供了在增強的產(chǎn)品性能、改進的零部件質(zhì)量、成本效益以及靈活生產(chǎn)方面的改進。激光沖擊噴丸(LSP)是一種SP處理，其中通過用激光脈沖代替常規(guī)SP中所使用的金屬、玻璃或陶瓷顆粒來撞擊金屬材料的表面層，在金屬材料的表面層中引起壓縮殘余應力。諸如SP和LSP之類的機械表面處理通常在制造行業(yè)中被用作一種用于增強零部件疲勞壽命的有效措施。主要存在影響零部件的工作壽命的三種因素:即疲勞載荷、磨損、以及腐蝕。通過LSP處理增強零部件的表面材料的機械性質(zhì)，所有這些因素都可被減弱并控制。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過LSP處理的零部件的疲勞壽命比未經(jīng)處理的零部件的疲勞壽命長幾倍。
[0004]與常規(guī)SP —樣，零部件的性能改進可歸因于通過金屬表面引入工程壓縮殘余應力。然而，在使用LSP時可塑地受影響的區(qū)域的深度和大小遠遠超過常規(guī)SP的那些。從而，LSP的新興技術(shù)已被證明將疲勞性能提高至超出用常規(guī)SP技術(shù)可實現(xiàn)的。
[0005]將壓縮殘余應力層引入金屬零部件的好處一般包括增加的疲勞性能(壽命和耐受性)、對應力腐蝕裂痕的抗性、以及對與微振磨損有關的故障的抗性。盡管常規(guī)SP是已被充分確立的技術(shù)，但是由于可塑地變形的區(qū)域的淺的受影響深度以及所產(chǎn)生的對零部件的相對粗糙的表面拋光，它受限于其應用范圍。LSP技術(shù)已被發(fā)展成一種能夠?qū)嚎s殘余應力引至更大深度和大小以及實現(xiàn)比SP更好的表面拋光的創(chuàng)新的表面增強處理。在LSP處理期間為噴丸生成的機械脈沖歸因于來自脈沖激光器的激光沖擊(與用常規(guī)噴丸沖擊介質(zhì)相反)。當向金屬目標發(fā)射脈沖激光時，迅速擴張的蒸氣與等離子體的機械反沖脈沖被利用來對零部件進行永久材料改性。LSP過程的示意圖解在圖1和2中給出。強脈沖激光束以1至lOGW/cm2范圍中的功率強度照射目標。典型地，具有范圍為大約50mJ至大約50J的輸出的激光被使用，具有納秒范圍的短脈沖寬度，典型地在5和50納秒的范圍內(nèi)。入射的高強度照射導致目標表面汽化，目標表面以部分電離的氣體(也被稱為等離子體)迅速擴張，具有在10000K范圍內(nèi)的高溫以及幾千兆帕的壓力。歸因于等離子體擴張的快速壓力脈沖生成了傳播通過金屬目標的沖擊波，導致單軸動應變(106秒3以及至某一深度的塑性變形，在該深度，峰值應力不再超出金屬的許貢紐(Hugon1t)彈性極限(HEL)(相當于在沖擊條件下的屈服強度)，這導致遍及該受影響的深度的殘余應力的狀態(tài)。
[0006]在LSP處理中，僅希望在工件上的機械撞擊。使用更短的激光脈沖以及熱防護涂層(也稱為燒蝕劑)，通過激光照射對材料的加熱被保持到最小程度。已發(fā)現(xiàn)對能吸收激光的犧牲性涂層的使用增加了沖擊波強度，以及防止表面被激光燒蝕以及熔化。通過使用可燒蝕涂層，可保持零部件的表面質(zhì)量，尤其是表面拋光。在一些應用中，在被稱為無涂層的激光噴丸(LPwC)中，不使用吸收涂層而執(zhí)行LSP處理。從工業(yè)角度來說，由于消除了施加吸收性覆蓋層所需的精心準備，LPwC可能是有吸引力的。然而，例如，對于諸如渦輪葉片的處理之類的某些應用來說，表面粗糙度中的增加可能是不可行的。此外，表面退化可能降低了增加的疲勞性能的一些潛力。
[0007]由于LSP的主要機理歸因于因等離子擴張造成的高壓脈沖生成，因此LSP處理典型地采用約束制度以便限制輸送到目標的壓力脈沖的大小并將其增強到與自由擴張的等離子相比的3個數(shù)量級。約束可通過對激光照射而言充分透明的任何材料來實現(xiàn)，諸如舉例來說石英。然而，出于實用考慮，水通常被用作約束媒介。水被用作約束媒介的約束制度有時也被稱為水約束制度或模式(WCM)。術(shù)語“間接燒蝕模式”和“受約束的燒蝕模式”有時也被使用來描述其中使用任何約束媒介的制度，而術(shù)語直接燒蝕被用在不使用約束媒介的情況下，即等離子體在空氣中自由擴張時。
[0008]在利用其中水被用作約束媒介的間接燒蝕模式的LSP處理中，噴嘴典型地被用于將某種類型的水噴霧或水射流輸送到正被處理的零部件的表面。替代地，正被處理的零部件被完全地浸沒在水下。這兩種現(xiàn)有技術(shù)方法的示意圖解分別在圖3和4中給出。
[0009]使用薄水層或噴霧作為約束層經(jīng)受到的問題之一是在空氣/水交界面之前可能發(fā)生空氣擊穿。空氣擊穿典型地歸因于在激光沖擊之后生成的每個壓力脈沖后被向外噴射到空氣中的水微滴的霧化。由于對高激光強度的吸收，這些小的水微滴充當擊穿起始點。在商業(yè)LSP處理中，激光器重復工作來向目標發(fā)射連續(xù)的激光沖擊以覆蓋大的處理面積?？諝鈸舸┑陌l(fā)生導致未知量的能量被輸送到目標，從而降低了處理穩(wěn)健性。
[0010]—直到目標區(qū)域被均勻且層狀的水層厚度充分覆蓋為止的持續(xù)時間是顯著的，因為這本質(zhì)上限制了 LSP處理期間可操作的重復率。換言之，在下一次激光沖擊能被發(fā)射之前必須給予薄水層足夠的恢復時間這樣的事實限制了可向目標發(fā)射激光沖擊的頻率。
[0011]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向?qū)⒘悴考]在水下的現(xiàn)有技術(shù)方法，利用該方法的一明顯問題是由水浴的大小強加于零部件的大小限制。因此，在采用該方法的LSP處理中，可被處理的零部件的范圍受到限制，因為一些零部件由于其形狀和尺寸而僅能簡單地被處理。
[0012]由于工程殘余應力可被潛在地引入任何金屬零部件，就存在LSP的眾多可能的工業(yè)應用。例如，LSP當前被用于汽車、船舶、發(fā)電、生物醫(yī)學、以及最廣泛地用于航空航天工業(yè)。在最近時期，LSP也已被考慮用于其中拉伸殘余應力是制造過程的結(jié)果的那些應用，諸如減式加工方法，包括銑削、拉削、磨削、激光切割、以及接頭焊接。然而，LSP的商業(yè)化主要歸因于航空航天工業(yè)，航空航天工業(yè)仍然是該新興技術(shù)的市場領導者。典型地，諸如鈦燃氣渦輪葉片之類的高價值零部件被處理來增強零部件疲勞壽命以及對異物損傷的抵抗力。近來，對于在整體機身結(jié)構(gòu)零部件中使用LSP技術(shù)有不斷發(fā)展的興趣。
[0013]本發(fā)明的一個目的是緩解現(xiàn)有LSP處理所經(jīng)受的問題中的至少一些問題。本發(fā)明的一個進一步的目的是提供一種將成為現(xiàn)有系統(tǒng)和方法的有用替代的用于執(zhí)行LSP處理的系統(tǒng)和方法。
[0014]具體來說，本發(fā)明的一個目的是提供一種約束制度以通過氣蝕沖擊事件來優(yōu)化由激光束引起的沖擊，這是通過針對這樣的氣蝕事件的發(fā)生保持足夠厚的水層來實現(xiàn)的。本發(fā)明的另一目的是測量氣蝕事件的第一氣泡振蕩周期，以便提供對目標的有效能量轉(zhuǎn)移的處理診斷。
[0015]本發(fā)明的又一目的是提供一種用于創(chuàng)建具有不受歸因于所生成的壓力脈沖的噴灑或水噴射影響的尺寸的水約束層的手段。本發(fā)明的又一目的是提供對約束層的厚度的精確控制，以便優(yōu)化引起壓縮殘余應力的沖擊效應。本發(fā)明的另一目的是減少在激光束到達正被處理的表面之前空氣中以及空氣/水交界面處的等離子體擊穿，從而導致更可重復的激光能量輸送。
[0016]發(fā)明的概述
[0017]—種用于對目標執(zhí)行激光沖擊噴丸的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
[0018]用于生成激光脈沖并向所述目標傳輸激光脈沖的設備；
[0019]用于提供液體的液體源；
[0020]入口，在使用中所述液體通過所述入口被提供；
[0021]出口，在使用中所述液體通過所述出口被排出；
[0022]安排在所述入口和所述出口之間的液體流路徑；以及
[0023]對入射激光透明以允許所述激光脈沖穿過的固態(tài)媒介；
[0024]其中在所述激光沖擊噴丸處理期間在使用中所述液體流路徑被夾在所述固態(tài)媒介與所述目標之間，使得所述液體與所述固態(tài)媒介以及所述目標直接接觸，從而在所述激光脈沖的行進路徑中消除任何空氣-液體交界面；
[0025]以及其中所述液體被提供至具有恒定厚度的所述液體流路徑中，使得在所述激光脈沖撞擊所述目標之后生成的等離子體/蒸氣氣泡塌縮之際，通過所述液體層中的氣蝕發(fā)生次生沖擊事件。
[0026]所述液體流路徑可被安排成使得所述液體層的厚度介于大約5mm和45mm之間，較佳地為至少11_。
[0027]所述激光生成設備可以能夠生成介于大約0.5和lOOGW/cm2之間的強度的激光脈沖，較佳地是介于大約0.5和10GW/cm2之間。
[0028]所述固態(tài)媒介可以是窗口或透鏡，或者窗口與透鏡的組合。在本發(fā)明的一個實施例中，入射到所述透鏡上的激光波束是未聚焦的。在透鏡被使用的情況下，它可具有短焦距，使得傳輸損失被保持為最小。
[0029]所述系統(tǒng)可包括第二窗口以及兩個窗口之間的排空區(qū)域，以防止激光脈沖到達與所述液體層接觸的窗口之前在空氣中的激光脈沖的等離子體擊穿。在該實施例中，所述排空區(qū)域較佳地為大約300mm長。
[0030]在所述系統(tǒng)的一個實施例中，所述液體流