激光冲击强化提高压气机叶片疲劳性能研究

根据1Cr11Ni2W2MoV不锈钢材料性能,确定了激光冲击强化参数;并通过标准试片疲劳试验,验证了该参数条件下激光冲击强化提高不锈钢材料振动疲劳寿命的有效性.设计了不锈钢叶片振动疲劳试验,确定了叶片冲击强化部位和方式,对强化叶片进行了型面检查、一阶弯曲振动疲劳试验和强化机理研究.结果表明:激光冲击强化后的叶片各个截面尺寸在设计范围之内,强化后叶片的应力-循环次数(S-N)曲线往上移动,提高了叶片的疲劳强度,在660MPa应力水平下,叶片的振动中值疲劳寿命提高70%;激光冲击强化引起的残余应力和表层微观组织变化是疲劳强度提高的主要原因.      

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%。     

TC4钛合金外物损伤疲劳极限及预测研究

为研究外物损伤对航空发动机TC4叶片高周疲劳极限的影响，以模拟叶片为研究对象，采用空气炮法，预制不同工况下钢球冲击模拟叶片前缘外物损伤，为获得损伤叶片的疲劳极限，对损伤叶片开展了高周疲劳试验，在此基础上，通过有限元仿真探究了缺口残余应力分布对疲劳裂纹的萌生以及疲劳极限的影响，最后通过修正Peterson公式对叶片疲劳极限进行预测研究。结果表明，冲击所造成的缺口尺寸随冲击能量的增大而增大；叶片的高周疲劳极限随冲击能量增大而降低，其中缺口深度对疲劳极限的影响较大；缺口底部残余拉应力可能对叶片疲劳极限有一定影响；Peterson公式对疲劳极限进行预测所得结果误差较大，修正后预测结果误差从-30%～30%降至-15%～15%。     

外物损伤对压气机叶片高周疲劳强度的影响研究进展

针对外物损伤（FOD）对压气机叶片高周疲劳（HCF）强度的影响特点及其规律,总结了国内外研究现状及预期发展趋势。从FOD特征对压气机叶片HCF强度的影响、残余应力以及激光强化对HCF强度的影响、FOD叶片数值模拟以及FOD叶片寿命模型等方面,对现有研究成果进行综述。分析表明：FOD从多方面影响着压气机叶片的HCF强度,并有着一定的规律性,如：60°是较为危险的一种冲击角度,随着外物冲击损伤深度的增加会降低叶片的强度,残余拉应力的产生可以提高叶片疲劳强度,适当的表面处理同样可以提高叶片的强度。现有的FOD对压气机叶片HCF强度研究存在以下问题：试验有待进一步改进,理论模型有待深入研究,残余应力对叶片HCF强度的影响规律尚不统一等。     

一种利用水下激光冲击处理涡轮叶片残余应力的方法

为提高涡轮叶片疲劳寿命,探索了一种利用水下激光冲击强化方法处理涡轮叶片残余应力的技术。利用波长532 nm、脉宽10 ns、能量1.2～1.5 J、光斑直径1.0 mm的YAG激光器,对涡轮叶片榫齿部位进行了激光冲击强化处理。结果表明,水下激光冲击强化方法能有效消除、调整机械加工残余应力。当激光功率密度大于2.5 GW/cm~2且小于7.5 GW/cm~2时,随着功率密度的增加,表面残余应力也相应增加;当功率密度大于10.0 GW/cm~2后,表面残余压应力随功率密度的增加而明显降低;功率密度等于7.5G W/cm~2时,表面残余应力为-419.5 MPa,为最佳。     

叶片外物损伤的实验模拟及其疲劳强度的研究

研究了空气炮法模拟外物损伤叶片的可行性,分析了外物损伤对模拟叶片疲劳强度的影响规律。用空气炮发射以300m/s左右速度发射直径1~4mm的钢珠,冲击模拟叶片,空气炮法在发射速度控制和撞击缺口深度方面具有较强的可控性及可重复性。采用光学和扫描电子显微镜对外物损伤的宏观和微观特征进行了观察,冲击损伤处具有材料丢失、塑性变形、剪切撕裂、应力集中、微裂纹、空穴结构和材料的折叠等特征。采用步进法对部分外物损伤模拟叶片进行了高周疲劳强度测试,试验结果比较分散,且冲击损伤引起的高周疲劳强度下降不随缺口深度的增加而单调变化,表明物损伤模拟叶片的疲劳强度是受缺口的宏观特征、微观特征等综合因素的影响。     

外物损伤对不锈钢模拟叶片疲劳强度的影响研究

本文开展了1Cr15Ni4Mo3N不锈钢模拟真实前缘叶片的外物损伤(FOD)与高周疲劳(HCF)试验,旨在研究不锈钢叶片在承受外物损伤后的剩余疲劳强度。使用空气炮法对模拟叶片进行了FOD试验,结果表明损伤主要可分为半圆型、V型和撕裂型三类,且损伤深度随着钢珠直径、入射速度的增大而增大。基于步进法开展了FOD试样的HCF试验,试验结果表明FOD试样的振幅疲劳强度下降了70%以上,且随着损伤深度、入射速度的上升表现出明显的下降趋势。不同缺口类型之间存在差异,半圆型缺口疲劳强度较高,V型缺口稍低,撕裂型缺口最低。使用SEM观测了FOD缺口及断口微观特征,疲劳裂纹源区均位于缺口根部表面附近,说明高速冲击造成的材料丢失、剪切带与剪切韧窝等微观特征促使了疲劳裂纹的萌生。     

激光冲击强化对TC17钛合金模拟叶片疲劳极限的影响

通过振动疲劳试验探究了激光冲击强化(LSP)对带根部倒圆的TC17钛合金叶片一阶弯曲疲劳极限的影响,结合疲劳断口、组织观察和残余应力测试等方法分析了激光冲击强化提高叶片疲劳极限的强化机制。结果表明,激光冲击强化对TC17钛合金叶片的一阶弯曲振动频率无影响,但显著提高了叶片的疲劳极限(约8%)。冲击强化后叶片的金相组织无显著变化,但表层晶粒组织明显细化,并在距离材料表面50μm的深度范围内形成剧烈塑性变形区,材料表面产生了不小于466 MPa的残余压应力。晶粒细化和残余压应力是叶片疲劳极限提高的直接原因。     

钢制叶片激光冲击强化与渗铝的组合应用

采用扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD)等手段研究了激光冲击强化(LSP)对钢制叶片渗铝层的影响,结果表明渗铝后进行激光冲击强化会对渗铝层造成破环,而在渗铝之前进行激光冲击强化则能提高渗层质量.从残余应力和显微组织变化两方面分析了渗铝高温作用对不锈钢材料激光冲击强化效果的影响,激光冲击强化产生的残余压应力在510℃渗铝温度环境下保温150min仍有-295MPa稳定存在,晶粒细化组织也没有明显长大,激光冲击不锈钢材料的残余应力和微观组织具有良好的热稳定性.振动疲劳对比试验结果验证了“LSP+渗铝”组合工艺对不锈钢材料的强化效果,在660MPa应力水平下,采用该组合工艺试片的疲劳寿命为3.98×106,为原渗铝试片疲劳寿命的14倍左右.      

航空齿轮激光冲击强化残余应力场仿真计算研究

对高强度航空齿轮齿根激光冲击强化数值仿真计算进行研究,提出激光冲击压力的数值计算方法,建立考虑激光入射角度的航空齿轮单齿的激光冲击强化有限元模型。仿真计算齿根处表层齿宽方向残余应力平均值为–603.97 MPa,与试验测得的齿轮齿根处表层齿宽方向残余应力数据平均值相差0.15%。通过仿真试验,揭示了齿轮齿根区域残余应力分布与激光脉冲能量、搭接率以及光斑半径之间的关联规律。结果表明,同深度层、齿宽方向残余压应力平均值大于齿廓方向残余压应力平均值。提高激光脉冲能量或搭接率均可提高表层残余压应力平均值,但提高激光光斑半径会降低表层残余压应力平均值;提高激光搭接率可以有效降低表层残余应力分布中的应力起伏现象,但过高的搭接率会大幅降低强化工艺效率,实际搭接率不应超过0.8。     

激光冲击强化对钛合金高温微动疲劳寿命的影响

为了解高温工作环境下激光冲击强化工艺(LSP)对钛合金材料微动疲劳寿命的影响,开展了强化前后TC11钛合金在室温、300°C和500°C下的微动疲劳试验并测试了试验件表层的残余应力及硬度。结果表明:随着温度的升高,激光冲击强化对TC11钛合金微动疲劳寿命的提高倍数逐渐减小。在轴向载荷为400MPa,法向载荷为65.5MPa时,经激光冲击强化后TC11钛合金试验件在室温、300°C和500°C下的微动疲劳寿命分别为强化前的5.5倍、3.5倍和1.7倍;强化后试验件表层的残余应力会在高温下发生松弛,且松弛程度会随温度的升高而增大,这是激光冲击强化效果随温度升高而逐渐弱化的主要原因。     

一次预过载对铝合金喷丸前后缺口疲劳强度的影响

预过载拉伸可提高铝合金缺口疲劳寿命,但效果不及喷丸;过载量太大还使寿寿命趋于子下降。预过载压缩降低缺口疲劳寿命;喷丸后经过载压缩,寿命降低幅度更大,均与缺口残余应力及亚结构变化有关。     

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.      

喷丸对激光辅助成形铝合金样件拉-拉疲劳性能的影响

为了研究激光辅助成形样件的疲劳性能及喷丸处理的作用规律,以2024铝合金板材为对象,对原始、激光辅助成形以及激光辅助成形后再喷丸等样件的微观组织、显微硬度、残余应力和拉-拉疲劳性能进行了对比分析研究.结果表明:激光辅助成形后,样件的组织和微结构未发现明显变化,但其硬度和残余拉应力水平有所下降;喷丸处理的激光辅助成形样件...     

Rene‘95粉末合金喷丸强化研究

研究了Ｒｅｎｅ’９５热等静压粉末高温合金喷丸后的残余应力场、组织结构、密度及其与高温疲劳性能间的关系。结果指出，喷丸引起表面形变层内的上述变化，能够有效地提高粉末合金高温下的高周和低周疲劳性能。     

凹坑型硬物损伤对TC4材料疲劳强度的影响

针对风扇/压气机叶片中叶盆/叶背遭受的硬物损伤(FOD)凹坑型损伤,进行了不同冲击角度下模拟FOD试验、损伤特征与应力集中分析,开展了冲击后不处理和冲击后去残余应力退火试样的高循环疲劳试验研究和疲劳强度的预测。结果表明:损伤深度和应力集中系数均随着冲击角度的增加而变大,损伤深度范围为0.1~0.5mm,应力集中系数范围为1.3~1.7。不同冲击角度条件下,凹坑型损伤试样疲劳强度相对光滑试样下降程度在50%~70%范围内,与应力集中系数并不是呈单调下降关系,最危险冲击角为60°。去残余应力退火后凹坑型损伤试样的高循环疲劳（HCF）性能有所提高,表明残余应力的影响程度不容忽略。去残余应力试样的HCF性能并不是随应力集中系数的增大而下降,验证了微结构损伤的影响,说明损伤深度作为制定可用极限或维修极限的唯一参量具有一定的局限性。对凹坑型损伤试样的疲劳强度的预测误差在±20%以内。      

激光增材制造高强高韧TC11钛合金力学性能及航空主承力结构应用分析

随着损伤容限设计理念发展和轻量化要求提高,高强高韧钛合金逐渐成为航空装备关键主承力构件主要结构材料。激光增材制造制备钛合金大型主承力构件具有数字化、短周期、低成本等技术优势,特别是激光增材制造过程超常固态相变动力学条件为制备高强高韧钛合金提供了新的机会。本文根据航空主承力结构选材性能要求,对激光增材制造TC11钛合金静强度、疲劳和损伤容限特性进行测试与分析,在此基础上对其在航空主承力结构的应用前景进行分析。结果表明,激光增材制造TC11钛合金力学性能具有显著的高强高韧和低屈强比特征,其疲劳缺口敏感性和裂纹扩展速率低,性能分散性小,综合性能满足航空主承力结构选材要求。与目前航空主承力结构广泛应用的TC4-DT损伤容限型钛合金相比,激光增材制造TC11高强高韧钛合金损伤容限特性相当、疲劳性能有所改善、许用应力提高23%,结构具有进一步减重优势。激光增材制造TC11钛合金优异的强韧性匹配在提高结构许用应力的同时可避免大厚度结构发生脆性断裂,其低疲劳缺口敏感性和优异的疲劳裂纹扩展特性对于结构服役安全具有重要意义。     

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。