航空发动机叶片激光冲击复合工艺及其强化机理研究

正航空发动机是飞机的"心脏",叶片疲劳断裂是我国飞机"心脏病"问题的主要表现之一。因此,提高叶片疲劳强度、预防疲劳断裂是提高部队飞行安全和战斗力面临的重大课题。一般情况下,部件在服役过程中最大工作应力和裂纹起源都位于材料表面。因此,利用表面强化技术改变材料表面完整性,提高部件疲劳性能是行之有效的方法手段,这也符合"中国制造2025"中关于抗疲劳制造技术相关要求。激光冲击强化(Laser shock peening, LSP)是一种新型表面强化技术,其原理是通过高能激光诱导产生高压(GPa量级)等离     

激光冲击强化对K4030高温疲劳性能影响

对K4030镍基高温合金涡轮叶片进行了激光冲击强化,研究了激光冲击诱导残余应力场分布、激光冲击引起的表层硬化以及在350℃、500℃和550℃保温下的热稳定性。实验结果表明:激光1次冲击在表层诱导了-625 MPa的残余压应力,影响深度大于1 mm,冲击次数越大,残余应力幅值和影响深度愈大;功率密度和冲击次数显微硬度有较大影响,激光冲击强化后,其显微硬度有大幅度提升,并形成了一定厚度的变形层,增加冲击次数或者增大功率密度都可提高其幅值,在550℃/60 min保温下,残余应力大部分松弛,但是激光冲击强化引起的表层硬化即诱导的微观组织变化具有良好的热稳定性。激光冲击强化提高涡轮叶片高温高低周疲劳寿命达2.4倍。激光冲击强化诱导的残余压应力和晶粒细化是镍基合金疲劳强度提高的主要原因。     

微激光冲击提高TC17钛合金高周疲劳性能研究

针对钛合金薄构件激光冲击强化过程中由于在叶背部分冲击波反射与耦合降低残余压应力的问题,提出采用微激光冲击强化（μLSP）的方法对TC17钛合金进行强化,利用高周疲劳实验验证其改善效果,从残余应力和疲劳断口形貌观察两个方面讨论分析疲劳性能改善的原因。实验结果表明:与未处理试件相比,微激光冲击强化试件疲劳强度提高了32%。微激光冲击在钛合金试件表层诱导产生一定数值,深度为100 μm厚的残余压应力层;在残余压应力的作用下,疲劳裂纹源内移,同时在其疲劳断口扩展区中有疲劳条带和二次裂纹,这是微激光冲击后TC17钛合金试件疲劳性能改善的主要原因。     

激光冲击强化对TC4 钛合金缺口叶片疲劳强度的影响

目的 提高航空发动机叶片抗外物损伤的性能。方法 采用薄壁件激光冲击强化工艺,对某型发动机TC4钛合金叶片包含一阶弯曲振动节线区域的表面进行处理,随后在叶片前缘一阶弯曲振动节线位置设计不同应力集中系数的缺口。参考有限元仿真软件分析结果和相关标准要求,预制应力集中系数Kt为3.2的缺口。通过力值校核和有限元仿真之间的多次迭代,明确应力测试位置与缺口危险点应力之间的关系。通过振动疲劳试验对激光冲击强化效果进行评价。通过扫描电子显微镜观察疲劳断口的形貌,采用残余应力仪对梯度残余应力进行测试,并提取相应位置的半峰全宽值,对激光冲击强化提升缺口叶片疲劳强度的原因进行分析。结果 经激光冲击强化处理后的钛合金缺口叶片在107次循环下的疲劳强度提升了63.2%;残余压应力层深度可达1.5 mm,且表层位错密度提升了67.5%;经激光冲击强化处理后钛合金缺口叶片裂纹萌生于近表面。结论 激光冲击强化引入的表层梯度残余压应力和位错增殖是缺口叶片疲劳强度提升的主要原因。     

无保护层激光冲击对K24镍基合金力学性能的影响

激光冲击强化是一种有效提高材料疲劳强度的表面处理技术。针对K24镍基高温合金模拟叶片特点,文中提出采用无保护层激光冲击强化进行表面处理。同时采用X射线衍射、显微硬度计表征了不同参数冲击下材料截面残余应力和显微硬度变化规律,并利用高周振动疲劳试验验证其强化效果。结果表明:无保护层激光冲击强化处理后在材料表层形成一定数值的残余压应力,冲击1、3、5次后表面残余应力分别为-428、-595、-675 MPa,影响深度分别约为110、150、160 m;显微硬度冲击一次后提升了29.2%,影响深度约为60 m。采用不等应力冲击后K24镍基合金模拟叶片疲劳强度由原始试件的282 MPa提高到327 MPa,提高了16%。     

激光喷丸与渗铝复合工艺提高K417 合金力学性能研究

对渗铝、渗铝后强化、强化后渗铝的K417合金试件分别进行振动疲劳试验。试验结果表明,相对于渗铝处理,强化后渗铝试样的疲劳强度提高了50%,而渗铝后强化试样的疲劳强度提高了30%,这说明渗铝与激光喷丸强化复合工艺可以提高材料的疲劳性能,且强化后渗铝效果更好。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析激光喷丸强化与渗铝复合工艺顺序对材料力学性能的影响,讨论了疲劳性能的改善机理。结果表明,激光喷丸强化促进了渗铝过程,生成大量柱状晶,渗层厚度增加,渗层与基体的结合更加紧密,从而有效提升疲劳性能;而渗铝后强化主要对渗层表面进行了形变强化,疲劳性能的提升有限。     

激光冲击对K403镍基合金高温疲劳性能和断口形貌的影响

对K403镍基合金涡轮叶片进行激光冲击强化(LSP),利用高温高低周复合疲劳试验验证其强化效果。试验结果表明:冲击后裂纹源区附近平坦区较冲击前变大,在快速扩展(FCG)区,激光冲击强化后疲劳条纹间距减小,有大量二次裂纹产生。且强化后在材料表层会引发晶粒细化以及高残余压应力,但在550℃/150min保温下,残余应力部分发生松弛,但是表层细化结构有很好的热稳定性。相比冲击前样件,激光冲击强化后涡轮叶片疲劳寿命提高了140%。热松弛后的残余压应力和表面晶粒细化是镍基合金疲劳寿命提高的主要原因。     

喷丸对气门弹簧疲劳可靠性的影响

根据某发动机气门弹簧的服役环境和结构特征,设计了高频弹簧疲劳试验系统,同时对喷丸和未喷丸弹簧进行疲劳试验,测试了不同循环次数条件下气门全开和预压缩两种状态下弹簧的松弛率。结果表明:喷丸可提高弹簧气门全开和预压缩状态的松弛率,分别为68.1%和23.9%。并在99%置信度条件下采用统计分析发现:喷丸可提高气门弹簧气门全开和预压缩状态的松弛率,分别为69.8%和34.2%。同时分析了弹簧在一个循环周期内,预压缩和气门全开时松弛率没有对应关系的原因。     

新型光斑搭接对平顶激光冲击钛合金力学性能的影响

针对平顶光束的特点,为简化工艺,提高加工效率,提出了一种简化加工过程的搭接率工艺方法。采用一种纵向25%、横向56.5%的搭接率工艺,并对该搭接率下的残余应力、显微硬度、高周疲劳极限等力学性进行验证,对比其与传统50%搭接率下的性能差异。结果表明：在新型搭接率下,平顶激光冲击钛合金表面产生的残余压应力均值为-564.5 MPa,影响深度达0.82 mm;在传统搭接率下,表面产生的残余压应力均值为-559.2 MPa,影响深度达0.81 mm。在新型和传统两种搭接率下,平顶激光冲击钛合金表面重叠次数多的位置,显微硬度平均值分别为570.9和562.6 HV_0.3,重叠次数少的显微硬度平均值分别为432.1和453.4 HV_0.3;钛合金截面上的硬化层深度均为0.4 mm。在新型和传统两种搭接率下,平顶光束冲击钛合金的疲劳极限分别为256.3和264.6 MPa。基于平顶光束,与传统工艺相比,简化的新型搭接率工艺可以获得较好的力学性能,并提高加工效率,降低加工成本。     

复合材料用碳纤维等离子体表面改性技术进展

近年来复合材料得到了广泛的应用,尤其在航空工业领域,已成为了世界强国竞相发展的核心技术。碳纤维树脂基复合材料作为复合材料中的优秀代表,由于其独特的性能优势,具有很大的发展潜力,但是界面结合强度是制约其应用的关键瓶颈。等离子体表面改性技术能提高碳纤维与树脂基的界面结合强度。总结了国内外学者工作,从等离子体处理装备发展和工艺参数影响两个角度对碳纤维等离子体表面改性技术的研究进展进行了阐述。在装备发展方面,重点介绍了在碳纤维表面处理研究中三类处理装置,包括射频等离子体处理装置、DBD等离子体处理装置和滑动弧射流等离子体处理装置,分析了各自的优缺点。在工艺参数方面,重点介绍了不同等离子体种类、等离子体处理时间、等离子体放电功率对碳纤维表面状态的影响规律。在此基础上,对碳纤维等离子体表面处理技术的未来发展方向进行了展望。