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中國突破航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要技術(shù)使用壽命大幅提升


激光沖擊強(qiáng)化加工金屬表面

         激光沖擊強(qiáng)化(Laser shock peening,LSP)是近幾年發(fā)展起來的一種新型表面強(qiáng)化技術(shù),目前在美國已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的表面強(qiáng)化。該技術(shù)已成為先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片強(qiáng)化的必選技術(shù)之一。它的應(yīng)用大幅度提高了構(gòu)件的抗疲勞壽命,在航空、航天、石油、核電、汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

 

         精確的"光爆炸"優(yōu)良的"免疫力"

 

         該技術(shù)是利用高峰值功率密度(>109W/cm2)的脈沖激光透過約束層后作用于金屬靶材表面的吸收層上,產(chǎn)生受約束的高壓(>1GPa)等離子體,產(chǎn)生的沖擊波使金屬材料表層產(chǎn)生塑性變形,獲得表面殘余壓應(yīng)力,從而提高結(jié)構(gòu)疲勞性能。激光沖擊強(qiáng)化是激光加工中峰值功率最高的,產(chǎn)生的等離子體相當(dāng)于在材料表面產(chǎn)生小爆炸,但由于作用時(shí)間極短(納秒量級(jí)),熱作用僅在吸收層幾微米深度,對(duì)待強(qiáng)化構(gòu)件是一種沖擊波作用的冷加工,可以獲得光滑的微米級(jí)凹陷、毫米級(jí)殘余壓應(yīng)力層。相比噴丸而言,激光沖擊強(qiáng)化可以獲得更深的殘余壓應(yīng)力層,更光滑的表面,更易于精確控制。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片而言,一旦葉片邊緣因外物破壞形成缺口,其疲勞強(qiáng)度急劇減低,而激光沖擊強(qiáng)化獲得的殘余壓應(yīng)力層能很好阻止或者延緩裂紋萌生,提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和安全性,相當(dāng)于在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位獲得"免疫力"。激光沖擊強(qiáng)化在不改變?cè)O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上能很好提高其疲勞性能,在葉片邊緣、孔槽結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)接R等關(guān)鍵部位均有很好的應(yīng)用價(jià)值。

 

         美國1997年開始在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù),目前在F119發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)整體葉盤采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)提高疲勞壽命4~5倍。除發(fā)動(dòng)機(jī)外,F(xiàn)-22飛機(jī)機(jī)身孔結(jié)構(gòu)、T-45艦載機(jī)攔阻桿等結(jié)構(gòu)均采用激光沖擊強(qiáng)化提供疲勞壽命,大大延長了檢修周期。日本采用激光沖擊強(qiáng)化核反應(yīng)堆壓力容器焊縫,提高了焊縫抗應(yīng)力腐蝕性能。

 

         激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的"先鋒隊(duì)"

 

         中航工業(yè)制造所是國內(nèi)最早開始激光沖擊強(qiáng)化的單位之一,擁有專門的研究團(tuán)隊(duì)和較強(qiáng)的科研實(shí)力。歷經(jīng)十幾年的穩(wěn)步發(fā)展,在應(yīng)用基礎(chǔ)研究、專用裝備研制、工藝技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定等多層次取得了一系列成果,為該技術(shù)在我國的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ):在國內(nèi)率先開展發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究,進(jìn)而突破了航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤激光沖擊強(qiáng)化的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù);從國際合作研制強(qiáng)脈沖激光器到自我研制高頻率強(qiáng)脈沖激光器,開發(fā)激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備;從圓形光斑轉(zhuǎn)化到方形光斑激光沖擊強(qiáng)化,成功解決了葉片薄壁結(jié)構(gòu)邊緣變形和殘余應(yīng)力沖突的技術(shù)難題;采用柔性光學(xué)關(guān)節(jié)和小型激光加工頭,實(shí)現(xiàn)了隱蔽面的激光沖擊強(qiáng)化;分析了激光沖擊強(qiáng)化高溫合金后殘余應(yīng)力釋放慢的特性,突破了渦輪盤榫齒等難強(qiáng)化面表面強(qiáng)化的瓶頸;針對(duì)行業(yè)內(nèi)對(duì)新技術(shù)執(zhí)行規(guī)范的高度關(guān)注,適時(shí)發(fā)布了激光沖擊強(qiáng)化航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。中航工業(yè)制造所為工廠激光沖擊強(qiáng)化提供技術(shù)支持及成果轉(zhuǎn)讓,為航空制造領(lǐng)域推廣應(yīng)用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)做出了自己應(yīng)盡的貢獻(xiàn)。目前,制造所已實(shí)現(xiàn)整體葉盤的強(qiáng)化,將為長壽命、高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

 

         長壽命制造技術(shù)的新選擇

 

         隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展,對(duì)航空裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的服役壽命要求越來越高,減重增效是先進(jìn)裝備制造技術(shù)的永恒目標(biāo)。制造所著眼行業(yè)需求,深入開展激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用于金屬材料的焊接結(jié)構(gòu)、機(jī)身孔結(jié)構(gòu)、重點(diǎn)疲勞區(qū)轉(zhuǎn)接R等的抗疲勞制造技術(shù)研究,正在更廣泛的領(lǐng)域?yàn)殛P(guān)鍵構(gòu)件的抗疲勞制造做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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