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第 4 卷
2016 年
9 月刊
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第 4 卷- 2016 年 9 月刊
激光喷丸可防止微动疲劳故障



激光噴丸抑制微動疲勞


图1:微动疲劳试样和F402第一阶段风扇叶片燕尾附件三种不同激光喷丸条件下的残余应力分布


图2:小斑点激光喷丸对比斑点大小和脉冲长度的残余应力分布


图3:与单轴疲劳性能和非激光喷丸的微动疲劳结果相比较的微动疲劳结果

  涡轮盘和其他组件的使用寿命对于确保航天航空和发电发动机制造商的安全连续操作具有重大作用。主要问题是涡轮的叶片和盘的微动疲劳故障出现在盘燕尾槽和叶片燕尾之间的接触点上。微动疲劳故障是严重问题,因为它会导致相当长的停工期,产生较大的维护成本,导致发动机损坏,减少潜在使用寿命。

  为解决这一问题,LSP科技利用激光喷丸减轻涡轮盘和叶片燕尾部分中的微动疲劳故障情况。激光喷丸方法导入的残余压缩应力深度比发动机运行过程中产生的微动疲劳裂纹更深。比起未经处理的组件,有这种具有深残余应力的组件可将疲劳寿命延长高达5倍。根据待处理区域可用的处理次数来选择处理这些产品的激光斑的大小。

残余应力分布

  Ti-6Al-4V合金从大斑点(>1mm)处理开始的残余应力分布如图1所示。测量微动疲劳试样残余应力分布,这种微动疲劳试样在之前已表现出优异的测量微动疲劳的效果。激光喷丸燕尾第一段风扇叶片的压缩残余应力数据也如图1所示。压缩残余应力范围在800和900MPa之间,深度可扩展到1mm以外,尤其在覆盖范围达到200%至300%的情况下。

  小斑点(≤1mm)在四种不同激光喷丸条件下的残余应力分布如图2所示。直径为0.45mm和1mm斑点的残余应力之间有明显的区别。1mm的斑点可通过较短的脉冲使压缩应力达到约1mm深,20ns的脉冲投射远远超过1.2mm深。通过对比,0.45mm斑点在不明显依赖脉冲长度的条件下,可达到0.5mm深。

  与大斑点相比,小斑点处理残余应力深度的不同是应力波交互“夹断”作用的结果,而这种情况不会发生在大斑点上。直径大于1mm的斑点没有交互影响,残余应力的深度一般等于或大于1mm。对于直径为1mm的斑点,深度约等于或大于1.2mm时,产生“夹断”作用,导致应力急剧下降。这是由于在20ns脉冲提供约1.2mm深度的情况下,明显对脉冲长度产生依赖。这一现象与在这些处理条件下的大斑点产生的深度类似,如图1所示。11.5ns脉冲产生较浅的压缩残余应力,并且与小斑点中的峰值应力急剧下降相一致。

  在10ns和11.5ns脉冲长度下使用0.45mm的小斑点处理多次以后,可以得出处理4次和8次时的压缩应力深度仍然在0.5mm左右,与使用20ns脉冲长度处理4次以后达到相同深度,如图2所示。在此斑点直径下,由于“夹断”作用导致峰值应力急剧下降,以至于增加表层硬化对扩展表层下方冲击波的有用范围并没有效果,这与大斑点尺寸一样。

微动疲劳测试

  微动疲劳测试采用从Ti-6Al-4V锻造板中制得的狗骨形疲劳试样和微动板,微动区域的几何形特点与燕尾槽或叶片燕尾之间的接触区域中发现的特点类似。应用的激光喷丸条件与小斑点条件下预期产生的残余应力相等。此测试很好地对比了大斑点和小斑点激光喷丸在疲劳性能上的相对作用。测试总共处理了6块微动疲劳试样,三块使用大斑点(>1mm),三块使用小斑点(0.45mm)。

  以R值为0.0和0.5两种不同的应力比开展了测试,如图3所示。测试在106周期终止时为断裂,这些测试的测试完成寿命用箭头表示。有时,用放置在不同位置的垫磨片(燕尾)在更高的应力条件下对相同的样本进行后续测试,会产生并传送新的微动裂纹。

  包括大小斑点激光喷丸疲劳试样在内的每个测试都会测试完成,最低强度条件下的大斑点喷丸除外。此测试在4.7x105周期时出现故障。这比非激光喷丸条件有所改善,但没有高强度激光喷丸条的效果好。由于仅在106周期测试完成,无法得出微动疲劳寿命增加的结论。

  中间垫磨片(燕尾)应力结果如图3中的红色标志所示。所有大斑点处理样本全部测试完成。在小斑点激光喷丸试样中,最高强度下激光喷丸的疲劳试样测试完成。其寿命增加10倍。测试表明,在故障之前,寿命至少增加12倍,且有可能增加更多。

  最高接触应力和循环应力幅的结果表明激光喷丸的疲劳试样测试完成。在此条件下,非激光喷丸疲劳试样的寿命至少增加25倍。如果测试失败,寿命将比这个更长,可能会开始接近在非微动条件下测试的疲劳条的疲劳性能。

结论

  很明显,激光喷丸提供的压缩残余应力有利于减轻微动疲劳。在已评估的测试条件下,小斑点激光喷丸可提供和大斑点激光喷丸同等的效果,小斑点激光喷丸是针对激光喷丸燕尾碟槽和叶片燕尾的一种非常可靠的方法。

  微动疲劳寿命至少增加5倍,最高可到10倍至25倍。因激光喷丸产生的较深、较高的压缩残余应力增加了微动疲劳寿命。这些应力抑制了微动表面的微动裂纹导致的疲劳裂纹,并在裂纹形成后有效减缓疲劳裂纹的传播。



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