航空發(fā)動機零件表面強化的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種航空發(fā)動機零件表面強化的裝置，包括多自由度機器人，用于帶動工件移動；裝夾模塊，用于安裝工件，其與所述機器人連接；三維形貌測量模塊，用于檢測工件表面的輪廓；納米復(fù)合材料涂層添加模塊，用于在工件表面添加納米復(fù)合材料涂層；大功率短脈沖激光器，用于向工件表面發(fā)射脈沖激光；噴頭模塊，用于在激光沖擊強化過程中向激光束與工件表面接觸區(qū)域噴射液體；沖擊波強度檢測模塊，用于檢測脈沖激光在工件表面誘發(fā)的沖擊波強度；以及控制器。采用本發(fā)明對工件進行強化，強化后的工件表面具有耐磨性、抗高溫蠕變且在高溫下有高穩(wěn)定性，硬度提高，殘余應(yīng)力穩(wěn)定，保證航空零件在高溫、高壓下穩(wěn)定工作，疲勞壽命延長。
【專利說明】
航空發(fā)動機零件表面強化的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及航空發(fā)動機中復(fù)雜零部件表面強化處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于nLSP復(fù)合工藝的航空發(fā)動機零件表面強化的裝置及強化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]航空發(fā)動機中的零部件，如渦輪葉片、整體葉盤等，工作在高溫、高壓環(huán)境下，對零件的高溫下的穩(wěn)定性、耐磨、抗蠕變性能等有很高的要求。傳統(tǒng)的噴丸強化對復(fù)雜零部件實施比較困難，容易引起薄壁件的變形，影響表面粗糙度和尺寸，本發(fā)明所使用的nLSP技術(shù)則避免了這個缺點，同時能保證強化后的工件表面在高溫下的機械性能。
[0003]目前，關(guān)于激光沖擊強化方面的專利CN103614541B《針對工件表面的激光強化裝置及激光沖擊強化處理方法》公開了一種提高激光誘發(fā)沖擊波利用效率的裝置，專利CN103898281A《整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭》公開了一種柔性化激光頭提高對整體葉盤的加工能力。但這些專利的激光沖擊強化技術(shù)使用的限制層多為水溶液，沖擊波較弱，工作效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于nLSP復(fù)合工藝的航空發(fā)動機零件表面強化的裝置及強化方法，旨在用于解決現(xiàn)有的傳統(tǒng)的強化方式對復(fù)雜零部件實施比較困難，容易引起薄壁件的變形，影響表面粗糙度和尺寸以及工作效率低的問題。
[0005]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
本發(fā)明提供一種航空發(fā)動機零件表面強化的裝置，其特征在于，包括:多自由度機器人，用于帶動工件移動;裝夾模塊，用于安裝工件，其與所述機器人連接;三維形貌測量模塊，用于檢測工件表面的輪廓;納米復(fù)合材料涂層添加模塊，用于在工件表面添加納米復(fù)合材料涂層;大功率短脈沖激光器，用于向工件表面發(fā)射脈沖激光;噴頭模塊，用于在激光沖擊強化過程中向激光束與工件表面接觸區(qū)域噴射液體;沖擊波強度檢測模塊，用于檢測脈沖激光在工件表面誘發(fā)的沖擊波強度；以及控制器，用于控制協(xié)調(diào)整個裝置工作。
[0006]進一步地，所述機器人為六軸工業(yè)機器人或多自由度龍門架形式機器人。
[0007]進一步地，所述納米復(fù)合材料涂層添加模塊采用激光直接沉積或等離子體噴涂技術(shù)。
[0008]進一步地，所述納米復(fù)合材料涂層添加模塊設(shè)置有形成陣列的多個噴嘴。
[0009]進一步地，所述噴頭模塊噴射的液體為H202或異丙醇。
[0010]進一步地，還包括用于安裝固定各個模塊的機體，所述機體上包含用于回收、過濾和修復(fù)噴頭模塊噴射的溶液的子系統(tǒng)。
[0011 ]進一步地，所述三維形貌測量模塊為三維激光掃描儀或者雙目攝像頭。
[0012]進一步地，所述沖擊波強度檢測模塊為壓電傳感器。
[0013]進一步地，所述大功率短脈沖激光器具有兩個，其中一個用于激光沖擊強化處理，可以是納秒YAG、皮秒或飛秒激光器;另一個用于結(jié)晶化納米復(fù)合材料涂層，可以是連續(xù)波激光器或者是連續(xù)波激光器與納秒激光器的結(jié)合。
[0014]本發(fā)明提供一種基于上述任一項所述的航空發(fā)動機零件表面強化的裝置的強化方法，其特征在于，包括以下步驟:
(1)在工件表面添加納米復(fù)合材料涂層，其包括將工件通過工件裝夾模塊安裝到機器人上，使用三維形貌測量模塊獲取工件的表面輪廓數(shù)據(jù)，控制器獲取該數(shù)據(jù)并重建出工件表面的三維模型，并進行機器人加工路徑規(guī)劃，機器人帶動工件移動到納米復(fù)合材料涂層添加模塊，由納米復(fù)合材料涂層添加模塊向工件表面涂一層或多層均勻的納米復(fù)合材料涂層；
(2)工件表面進行結(jié)晶化處理，其實現(xiàn)方式為大功率短脈沖激光器向工件表面發(fā)射一定功率的脈沖激光，使納米復(fù)合材料中的晶界融合，機器人帶動工件移動，完成整個工件的結(jié)晶化處理；
(3)再對工件表面進行激光沖擊強化，具體實現(xiàn)過程為:使用三維形貌測量模塊獲取工件的表面輪廓數(shù)據(jù)，控制器獲取該數(shù)據(jù)并重建出工件表面的三維模型，并進行機器人加工路徑規(guī)劃，機器人帶動工件移動到激光沖擊強化處理的初始位置，噴頭模塊向工件上噴射液體，然后大功率短脈沖激光器向工件上發(fā)射脈沖激光，機器人帶動工件移動，完成整個工件的強化處理。
[0015]本發(fā)明具有以下有益效果:
1、本發(fā)明采用復(fù)合工藝對航空發(fā)動機零件表面進行強化處理，先在工件表面添加納米復(fù)合材料涂層，然后再進行激光結(jié)晶化處理，最后是激光沖擊強化處理，納米材料硬質(zhì)顆粒與工件的基體材料在激光沖擊強化中充分作用，利用納米材料硬質(zhì)顆粒的釘鍥作用，防止位錯的滑移，這種特性在高溫、高壓下仍能保持穩(wěn)定，所以強化后的工件表面具有耐磨性、抗高溫蠕變且在高溫下有高穩(wěn)定性，硬度提高，殘余應(yīng)力穩(wěn)定，保證航空零件在高溫、高壓下穩(wěn)定工作，疲勞壽命延長。
[0016]2、激光沖擊強化過程中的限制層為強氧化性溶液H202或高能量密度液體異丙醇，能獲得更強的沖擊波，提高加工效率。
[0017]3、工件由機器人帶動移動，柔性高，不僅可以進行平面加工，也可對大曲率曲面進行加工。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明實施例提供的一種航空發(fā)動機零件表面強化的裝置的示意圖；
圖2為本發(fā)明實施例提供的對工件表面進行強化的工藝流程圖；
圖3為本發(fā)明實施例提供的對工件進行激光沖擊強化時加工區(qū)域示意圖。
[0019]附圖標(biāo)記說明:1-機器人，2-裝夾模塊，3-工件，4-沖擊波強度檢測模塊，5-機體，
6-納米復(fù)合材料涂層添加模塊，7-大功率短脈沖激光器，8-噴頭模塊，9-三維形貌測量模塊。
【具體實施方式】
[0020]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明實施例提供一種航空發(fā)動機零件表面強化的裝置，包括多自由度機器人1、用于安裝工件3的裝夾模塊2、用于檢測脈沖激光誘發(fā)沖擊波強度的沖擊波強度檢測模塊4、用于安裝固定各個模塊的機體5、用于在工件3表面添加納米復(fù)合材料涂層的納米復(fù)合材料涂層添加模塊6、用于發(fā)射脈沖激光的大功率短脈沖激光器7、用于在激光沖擊強化過程中在激光束與工件3表面接觸區(qū)域噴射液體的噴頭模塊8、用于檢測工件3表面輪廓的三維形貌測量模塊9、以及控制器。
[0022]所述機器人I為六軸工業(yè)機器人或多自由度龍門架形式機器人。所述裝夾模塊2上的夾持裝置為三爪卡盤、通用夾具或?qū)ｉT定制的專業(yè)夾持工具。
[0023]所述納米復(fù)合材料涂層添加模塊6采用激光直接沉積技術(shù)或等離子體噴涂技術(shù)，噴涂的納米復(fù)合材料為由金屬粉末和OD?2D納米材料組成的復(fù)合材料。使用激光直接沉積技術(shù)時，設(shè)計一個能噴射納米復(fù)合材料(如石墨稀、碳納米管、氮化物硬質(zhì)納米粒子)與工件3材料(如高溫合金等)預(yù)混合形成的的微米級粉末的噴嘴，在噴嘴中使用大功率短脈沖激光器7燒熔粉末，再由高壓氣體噴射到工件3表面。使用等離子體噴涂技術(shù)時，噴嘴中產(chǎn)生高溫、高壓的等離子氣體將噴嘴中的納米復(fù)合材料粉末融化，再經(jīng)高壓氣體噴射到工件3表面。相比激光直接沉積技術(shù)，等離子體噴涂技術(shù)是一種成熟的、價格便宜、適合葉片等三維曲面型工件表面的噴涂技術(shù)。所述納米復(fù)合材料涂層添加模塊6設(shè)置有形成陣列的多個噴嘴，可以提尚嗔涂效率。
[0024]所述噴頭模塊8噴射的液體可以為強氧化性溶液(如H202)或高能量密度液體(如異丙醇)，用于提高激光沖擊強化過程中沖擊波的強度，提高加工效率。
[0025]所述機體5上包含用于回收、過濾和修復(fù)噴頭模塊8噴射的液體的子系統(tǒng)，用于回收利用這些噴射出的液體，以提高液體的利用率、降低成本。
[0026]所述三維形貌測量模塊9為三維激光掃描儀或者雙目攝像頭，用于在工件3表面強化處理時實時獲取工件3表面輪廓數(shù)據(jù)信息，為納米復(fù)合材料涂層的涂敷和激光沖擊強化過程提供工件3的位置信息。
[0027]所述沖擊波強度檢測模塊4為壓電傳感器，用于測量激光誘發(fā)沖擊波的強度，并用于調(diào)控大功率激光器輸出功率以適應(yīng)不同工件、工件的不同部位對沖擊波強度的需求。
[0028]優(yōu)選地，所述大功率短脈沖激光器7具有兩個，其中一個用于激光沖擊強化處理，可以是納秒YAG、皮秒或飛秒激光器;另一個用于燒結(jié)或者結(jié)晶化納米復(fù)合材料涂層，可以是連續(xù)波激光器或者是連續(xù)波激光器與納秒激光器的結(jié)合。
[0029]如附圖2所示，本發(fā)明的航空發(fā)動機零件表面強化的裝置對工件3表面進行強化的方法，包括添加納米復(fù)合材料涂層、激光結(jié)晶化和激光脈沖強化，具體過程如下:
一、工件3表面添加納米復(fù)合材料涂層，包括以下步驟:
(1)將工件3通過工件裝夾模塊2安裝到機器人I上，使用三維形貌測量模塊9獲取工件3的表面輪廓數(shù)據(jù)，控制器獲取該數(shù)據(jù)并重建出工件3表面的三維模型，并進行機器人I加工路徑規(guī)劃；
(2)機器人I帶動工件3移動到納米復(fù)合材料涂層添加模塊6的噴射區(qū)域內(nèi)，采用激光直接沉積或者等離子體噴涂技術(shù)在高壓氣體的作用下將融化的納米復(fù)合材料粉末噴射到工件3表面；
(3)完成工件3表面一個區(qū)域的噴射后，機器人I帶動工件3繼續(xù)移動，完成整個工件3的噴射，獲得一層均勻的納米復(fù)合材料涂層；
(4)重復(fù)以上步驟，可以在工件3表面上獲取多層納米復(fù)合材料涂層。
[0030]二、進行結(jié)晶化處理，包括以下步驟:
(1)大功率短脈沖激光器7向工件3表面發(fā)射一定功率的脈沖激光，使納米復(fù)合材料中的晶界融合，機器人I帶動工件3移動，完成整個工件3的結(jié)晶化處理；
(2)結(jié)晶化處理與添加納米復(fù)合材料涂層交替進行，即添加一層納米復(fù)合材料涂層就進行一次結(jié)晶化處理，循環(huán)往返即可在工件3表面添加多層納米復(fù)合材料結(jié)晶涂層。
[0031]三、激光沖擊強化處理，包括以下步驟:
(1)使用三維形貌測量模塊9獲取工件3的表面輪廓數(shù)據(jù)，控制器獲取該數(shù)據(jù)并重建出工件3表面的三維模型，并進行機器人I加工路徑規(guī)劃；
(2)機器人I帶動工件3移動到激光沖擊強化處理的初始位置，噴頭模塊8向工件3表面噴射液體，然后大功率短脈沖激光器7向液體與工件3接觸區(qū)域發(fā)射脈沖激光，在工件3表面形成高溫、高壓等離子體，并誘發(fā)高強度的沖擊波，對工件3表面進行激光沖擊強化處理，機器人I帶動工件3移動，完成整個工件3的強化處理。
[0032]如圖3所示，激光沖擊強化的機理是，脈沖激光照射到工件上產(chǎn)生高溫、高壓的等離子體，然后誘發(fā)強烈的沖擊波，由該沖擊波對工件表面進行強化處理，沖擊波使基體材料與納米材料顆粒充分作用，提高了工件表面的耐磨性、抗高溫蠕變性能等。噴頭噴射到工件表面的溶液形成限制層，限制層的作用一方面是防止激光誘發(fā)的沖擊波向周圍環(huán)境中擴散，提高沖擊波的利用率。另一方面是，當(dāng)噴頭噴射的液體為H202等強氧化性溶液時，激光的加熱和H202的化學(xué)蝕刻效應(yīng)會產(chǎn)生更高壓的等離子體，進而產(chǎn)生強度更強的沖擊波；當(dāng)液體為異丙醇等高能量密度液體時，激光會誘發(fā)溶液產(chǎn)生爆炸性反應(yīng)，產(chǎn)生更強烈的沖擊波，這提高了激光沖擊強化的加工效率。
[0033]在進行激光沖擊強化的過程中，三維形貌測量模塊9實時獲取工件3表面的輪廓數(shù)據(jù)，傳輸?shù)娇刂破骱髮崟r計算出工件3的強化處理區(qū)域位置。沖擊波強度檢測模塊4實時測量激光誘發(fā)的沖擊波強度并傳輸?shù)娇刂破?，然后控制器通過調(diào)節(jié)大功率短脈沖激光器7的輸出功率，以適應(yīng)不同工件、工件表面的不同區(qū)域?qū)_擊波強度的需求。
[0034]在這些工藝過程中，為保證加工精度，采用反饋補償?shù)姆绞窖a償機器人I運動精度、其他誤差對加工精度的影響。具體的實現(xiàn)方式是，加工之前通過三維形貌測量模塊9獲取被加工工件3表面的輪廓數(shù)據(jù)信息，并經(jīng)控制器獲取工件3表面的三維模型進行機器人I的路徑規(guī)劃;在加工過程中，通過三維形貌測量模塊9實時獲取當(dāng)前工件3的輪廓數(shù)據(jù)信息，并經(jīng)控制器測算被加工工件3與納米復(fù)合材料涂層添加模塊6、噴頭模塊8或大功率短脈沖激光器7的相對位置，通過與理想位置的對比，反饋到機器人I的運動中，保證了涂層和激光沖擊強化的加工精度。
[0035]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種航空發(fā)動機零件表面強化的裝置，其特征在于，包括: 多自由度機器人，用于帶動工件移動； 裝夾模塊，用于安裝工件，其與所述機器人連接； 三維形貌測量模塊，用于檢測工件表面的輪廓； 納米復(fù)合材料涂層添加模塊，用于在工件表面添加納米復(fù)合材料涂層； 大功率短脈沖激光器，用于向工件表面發(fā)射脈沖激光； 噴頭模塊，用于在激光沖擊強化過程中向激光束與工件表面接觸區(qū)域噴射液體； 沖擊波強度檢測模塊，用于檢測脈沖激光在工件表面誘發(fā)的沖擊波強度； 以及控制器，用于控制協(xié)調(diào)整個裝置工作。2.如權(quán)利要求1所述的航空發(fā)動機零件表面強化的裝置，其特征在于:所述機器人為六軸工業(yè)機器人或多自由度龍門架形式機器人。3.如權(quán)利要求1所述的航空發(fā)動機零件表面強化的裝置，其特征在于:所述納米復(fù)合材料涂層添加模塊采用激光直接沉積或等離子體噴涂技術(shù)。4.如權(quán)利要求1所述的航空發(fā)動機零件表面強化的裝置，其特征在于:所述納米復(fù)合材料涂層添加模塊設(shè)置有形成陣列的多個噴嘴。5.如權(quán)利要求1所述的航空發(fā)動機零件表面強化的裝置，其特征在于:所述噴頭模塊噴射的液體為H202或異丙醇。6.如權(quán)利要求1所述的航空發(fā)動機零件表面強化的裝置，其特征在于:進一步包括用于安裝固定各個模塊的機體，所述機體上包含用于回收、過濾和修復(fù)噴頭模塊噴射的溶液的子系統(tǒng)。7.如權(quán)利要求1所述的航空發(fā)動機零件表面強化的裝置，其特征在于:所述三維形貌測量模塊為三維激光掃描儀或者雙目攝像頭。8.如權(quán)利要求1所述的航空發(fā)動機零件表面強化的裝置，其特征在于:所述沖擊波強度檢測模塊為壓電傳感器。9.如權(quán)利要求1所述的航空發(fā)動機零件表面強化的裝置，其特征在于:所述大功率短脈沖激光器具有兩個，其中一個用于激光沖擊強化處理，可以是納秒YAG、皮秒或飛秒激光器；另一個用于結(jié)晶化納米復(fù)合材料涂層，可以是連續(xù)波激光器或者是連續(xù)波激光器與納秒激光器的結(jié)合。10.一種航空發(fā)動機零件表面強化的方法，其特征在于，采用如權(quán)利要求1-9中任一項所述的航空發(fā)動機零件表面強化的裝置，該方法包括以下步驟: (1)在工件表面添加納米復(fù)合材料涂層，其包括將工件通過工件裝夾模塊安裝到機器人上，使用三維形貌測量模塊獲取工件的表面輪廓數(shù)據(jù)，控制器獲取該數(shù)據(jù)并重建出工件表面的三維模型，并進行機器人加工路徑規(guī)劃，機器人帶動工件移動到納米復(fù)合材料涂層添加模塊，由納米復(fù)合材料涂層添加模塊向工件表面涂一層或多層均勻的納米復(fù)合材料涂層； (2)工件表面進行結(jié)晶化處理，其實現(xiàn)方式為大功率短脈沖激光器向工件表面發(fā)射一定功率的脈沖激光，使納米復(fù)合材料中的晶界融合，機器人帶動工件移動，完成整個工件的結(jié)晶化處理； (3)再對工件表面進行激光沖擊強化，具體實現(xiàn)過程為:使用三維形貌測量模塊獲取工件的表面輪廓數(shù)據(jù)，控制器獲取該數(shù)據(jù)并重建出工件表面的三維模型，并進行機器人加工路徑規(guī)劃，機器人帶動工件移動到激光沖擊強化處理的初始位置，噴頭模塊向工件上噴射液體，然后大功率短脈沖激光器向工件上發(fā)射脈沖激光，機器人帶動工件移動，完成整個工件的強化處理。
【文檔編號】C23C4/123GK105862046SQ201610354631
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】劉勝, 程佳瑞, 鄭懷, 王春喜, 廖道坤
【申請人】武漢大學(xué)