航空发动机叶片的激光冲击强化研究

简述了当前航空发动机叶片在使用过程中存在的问题和国内外激光冲击强化技术在航空领域中的发展情况。研究了激光冲击强化在某型发动机叶片强化中的应用,总结了激光冲击强化技术与传统强化工艺相比所具有的优势。实验证明冲击强化在航空发动机叶片维修应用是可行性的。     

叶片激光冲击强化处理的过程监测

激光冲击强化处理是近年出现的金属表面改性新工艺,航空发动机叶片经过激光冲击强化后,可以延长疲劳寿命和提高对异物损伤的抵抗力.本文针对叶片的激光冲击强化处理工艺,开发了一套过程监测系统,用于实时测量处理过程中的声音能量和叶片固有频率的变化,并经实验验证这两个参数可以作为叶片冲击处理质量的检测标准.     

激光冲击叶片榫头变形控制与疲劳试验

针对某航空发动机涡轮叶片榫头部位疲劳断裂故障,利用激光诱导高压冲击波对榫头部位进行冲击强化,提高其抗疲劳性能。在试验测试激光冲击GH4133B镍基高温合金材料残余应力场的基础上,确定了叶片材料激光冲击工艺参数;根据榫齿面转接R区结构特征,设计了不等强度分布冲击方式,保证强化区域残余应力均匀、过渡分布,防止出现应力突变。由于榫头结构不均匀,高压冲击波引起的塑性流动使叶片发生宏观变形,采用数值仿真方法分析了激光冲击后叶片榫头宏观变形规律和机理。在此基础上提出了激光冲击叶片榫头变形控制的方法,并设计了榫头结合面冲击区域和方式,保证叶片榫头两侧对应区域的激光能量输入基本相当,通过结合面的塑性流动来减小叶片榫头宏观变形。冲击处理后的叶片榫头表面粗糙度、滚棒尺寸和平面度等均满足技术要求。并分析了激光冲击强化提高叶片高温疲劳寿命的原因。疲劳试验结果表明：激光冲击强化可提高叶片榫头部位的高温高低周复合疲劳寿命提高了279%。     

航空发动机叶片激光冲击强化机制研究

针对航空发动机叶片近年来出现的故障,进行力学分析;研究激光冲击强化的机制及其在航空发动机叶片上应用的可行性和关键技术.     

激光技术在风扇/压气机整体叶盘结构修理中的应用

世界知名航空发动机产品研制商和工艺开发商研发了激光金属沉积、激光低热输入精密金属沉积工艺和激光冲击强化表面处理工艺等先进且可行的激光工艺,并将其应用到整体叶盘等先进产品中,取得了很好的效果。因而,综述其特点、发展和应用可为中国新一代航空发动机风扇/压气机整体叶盘结构的发展提供参考与借鉴。     

航空发动机风扇叶片两种表面处理方法对比

在对激光冲击强化技术与喷丸表面强化技术比较分析之后,表明航空发动机叶片经过激光冲击强化后,能显著增加叶片表面残余压应力,提高疲劳性能,并且其效果优于喷丸表面强化技术。     

激光冲击处理钛合金叶片的研究

为研究激光冲击处理钛合金叶片的工艺,设计了双光束转镜调Q钕玻璃激光器,分析了小偏移大倾角双面激光冲击强化的技术特点并进行了试验研究.经激光冲击强化后,薄壁钛合金叶片在冲击区域获得了表面残余压应力,叶片边缘没有发现变形和裂纹.     

激光冲击处理相关参数研究

本文详细论述了激光参数，表面涂层材料和厚度，约束层材料及其与工件之间的间隙等各项参数对激光冲击处理的影响，并以试验确定了各项参数的选取，使激光冲击处理技术达到工程化，实用化。     

高能束流加工技术在航空领域的应用进展

以激光/电子束为代表的高能束流加工是航空装备研制中不可或缺的技术,也是当今先进制造技术发展的前沿领域。本文分别介绍了高能束流加工技术在航空结构的焊接、增材制造、表面改性中的应用：激光/电子束焊接实现了飞行器大尺寸机身结构与航空发动机结构的整体化。激光/电子束增材制造实现了复杂结构的轻量化与快速成形,并广泛应用于发动机叶片修复。在表面改性方面,激光冲击强化大幅改善了航空结构的疲劳性能;超快激光可用于涡轮叶片气膜孔的高精度制备以及表面微纳功能结构的制备;电子束加工出的表面尖峰大幅提升了金属-复材接头的强度。最后,从新材料、新结构、加工过程质量监控这3个方向对高能束流加工技术的发展趋势进行了展望。     

激光冲击提高航空铝合金疲劳寿命的研究

分析了激光冲击改善航空铝合金疲劳性能的机理；讨论了涂层及约束层的重要作用。对２０２４和７４７５铝合金进行了优化激光冲击试验。结果表明：提高了这些铝合金的疲劳寿命，获得了均匀稳定的位错显微组织和表面残余压应力。     

激光冲击对TC11钛合金组织和力学性能的影响

对TC11钛合金进行激光冲击强化处理,通过透射电子显微镜观察不同参数下TC11钛合金的微观组织变化,用显微硬度计和X射线应力测试仪分别测试材料表层硬度和残余应力,并通过TC11钛合金标准疲劳试片高周振动疲劳试验验证激光冲击对其疲劳性能的影响.试验结果表明:激光冲击波作用后表面组织结构发生明显变化,当冲击次数增加,先后出现了高密度位错、位错胞和纳米级晶粒等微观组织特征.冲击10次后,表面残余应力最高达到-632.5MPa,相应的塑性变形层深度达到1500μm左右;同时表面硬度在冲击1次即可提高19%,硬度影响深度为700μm,随着次数增加而提高,但幅度不大.经3次冲击处理的TC11钛合金标准疲劳试片的疲劳极限由原始483MPa提高到593MPa.      

激光冲击强化对加力燃烧室火焰探测器焊缝的影响

为了研究激光冲击强化(LSP)后加力燃烧室火焰探测器焊缝位置异常开裂原因,采用X射线衍射方法和金相方法对激光冲击强化效果进行分析,并利用扫描电子显微镜对断口进行了观察。在Abaqus有限元分析软件中建立了与观察到的焊缝缺陷相似的有限元模型,对焊缝缺陷的LSP处理及冲击波传播过程进行了模拟分析。试验结果表明:具有较好材料完整性的区域经LSP处理后,表面会预置较大残余压应力,同时表面金属晶粒得到细化,疲劳裂纹会在焊缝缺陷位置萌生和扩展。有限元分析结果表明:存在分层缺陷的焊缝经LSP强化后,冲击波会在分层缺陷处产生反射,造成分层位置发生开裂,形成裂纹源造成疲劳开裂。根据试验和仿真分析结果,为提升火焰探测器焊缝激光冲击抗疲劳效果,建议优化焊接工艺,提高焊接质量。     

多点连续动态激光冲击强化残余应力场数值分析

为了提高激光冲击强化(LSP)数值模拟效率及计算精度,基于传统激光冲击仿真策略,提出了一种连续显式动态冲击仿真策略。使用显式动态分析完成多次冲击,再进行隐式静态分析得到稳定残余应力场;建立ABAQUS三维平板有限元模型,基于该策略研究了多次冲击后残余应力场的分布;Python后处理后,残余应力模拟值与测量值吻合较好。结果表明:当激光功率密度为1 GW/cm2时最大残余应力为-212.5 MPa,其测量均值为-216.7 MPa,误差为1.9%。激光功率密度从1 GW/cm2增加至4 GW/cm2,残余应力层深度由0.7 mm增加至1 mm。验证了该策略的准确性,在大幅度提高仿真效率的基础上有效地提高了模拟精度,为大型结构大面积激光冲击强化数值模拟提供了一种仿真思路。      

激光冲击强化提高外物打伤钛合金模拟叶片高周疲劳性能

为指导钛合金叶片抗外物打伤激光冲击强化工艺设计,根据真实叶片叶型特征设计了刃口型模拟叶片,采用两种激光冲击强化工艺对模拟叶片进行预处理,并采用空气炮系统进行外物打伤模拟试验,最后通过疲劳试验和应力场预测进行疲劳性能影响规律及机理分析。试验结果表明:模拟叶片外物打伤后疲劳强度由51845 MPa降为29072 MPa,而激光能量为5 J和7 J强化工艺下疲劳强度分别提升至34449、37493 MPa。激光冲击引入高数值残余压应力场,大大改善了外物打伤区域的局部应力场分布,在显著提高外物打伤模拟叶片疲劳强度的同时,可承受更大的应力集中,也增大了疲劳缺口系数偏差。两种强化工艺中激光能量越大,产生的残余压应力场数值和深度越大,更加有效地降低裂纹扩展过程中的等效应力强度因子幅值,外物打伤模拟叶片疲劳强度和疲劳缺口系数偏差提高程度越大。      

大规格损伤容限钛合金TC4-DT的研制及应用

为了满足新一代战斗机对大规格损伤容限钛合金的需求，开展了TC4-DT钛合金大规格棒材与锻坯的成分与组织控制、大型锻件热处理过程中的显微组织控制、材料与锻件的制造过程控制、零件的疲劳强化等研究。经过大型铸锭熔炼、大规格棒材和锻坯试制、大厚度锻件试制、结构设计与制造，结果表明：损伤容限钛合金TC4-DT大型铸锭的成分均匀、大型锻坯和大厚度锻件的抗拉强度变异系数降至约2%，激光冲击、喷丸和冷挤压等对该合金的寿命增益效果显著。损伤容限钛合金TC4-DT在新一代战斗机上获得了广泛应用。     

Laser Hardening of Metals

The first experiments on hardening metals by laserpeening induced residual compressive stress in the sur-face of metals for improving their resistance to cracking,stress corrosion and fatigue took place more than 30years ago. However, only today, with the development ofhigh-intensity pulse repetitive rate lasers, this methodstarts to compete to traditional peening, which use influ-ence of small metal balls.Laser peening uses pulses with high intensity 109￣1010 W/cm2 [1]. The laser energy abso…     

TC4钛合金激光冲击强化数值模拟

采用连续显式动态冲击策略对航空用TC4钛合金进行激光冲击强化数值模拟研究。根据冲击波能量变化曲线确定单次冲击求解时间为3 000 ns,并分析了应力波传播过程。在此基础上开展多点冲击模拟,分析了功率密度、冲击次数和光斑搭接率对残余应力、应变场的影响。得出增加功率密度对增大表面残余压应力的效果更好;增加冲击次数对增大残余压应力影响深度的效果更好;50%光斑搭接率有效地避免了冲击不均匀和搭接空隙现象。实验和仿真所得的试件表面残余压应力变化趋势相同,数值大小基本吻合。冲击1、3次时,两者的误差分别为4.1%、2.6%,说明仿真结果具有一定的参考意义。      

薄壁结构双侧异步激光喷丸强化试验研究

航空发动机压气机叶片是典型薄壁结构,通过激光喷丸强化在叶缘引入残余压应力,是提高其抗异物撞击能力,延长疲劳寿命的有效途径。为解决双侧同步强化方法存在的材料层裂损伤风险的问题,提出薄壁结构双侧异步激光喷丸强化方法。试验研究发现:单侧薄壁激光喷丸试验中,光斑功率密度的改变会使薄壁结构相对于激光入射方向呈现"∧"或"∨"两种扭曲变形趋势;另一面采用同样参数进行激光喷丸后,扭曲变形会恢复;合理采用激光喷丸参数,双侧异步激光喷丸强化与同步强化相似,可以在两侧表面均得到残余压应力场,并且扭曲变形能满足形状精度要求。