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中國突破航空發(fā)動機重要技術使用壽命大幅提升


激光沖擊強化加工金屬表面

         激光沖擊強化(Laser shock peening,LSP)是近幾年發(fā)展起來的一種新型表面強化技術,目前在美國已廣泛應用于航空發(fā)動機關鍵結構件的表面強化。該技術已成為先進發(fā)動機葉片強化的必選技術之一。它的應用大幅度提高了構件的抗疲勞壽命,在航空、航天、石油、核電、汽車等領域有著廣泛的應用前景。

 

         精確的"光爆炸"優(yōu)良的"免疫力"

 

         該技術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,產生受約束的高壓(>1GPa)等離子體,產生的沖擊波使金屬材料表層產生塑性變形,獲得表面殘余壓應力,從而提高結構疲勞性能。激光沖擊強化是激光加工中峰值功率最高的,產生的等離子體相當于在材料表面產生小爆炸,但由于作用時間極短(納秒量級),熱作用僅在吸收層幾微米深度,對待強化構件是一種沖擊波作用的冷加工,可以獲得光滑的微米級凹陷、毫米級殘余壓應力層。相比噴丸而言,激光沖擊強化可以獲得更深的殘余壓應力層,更光滑的表面,更易于精確控制。對發(fā)動機鈦合金葉片而言,一旦葉片邊緣因外物破壞形成缺口,其疲勞強度急劇減低,而激光沖擊強化獲得的殘余壓應力層能很好阻止或者延緩裂紋萌生,提高結構的疲勞壽命和安全性,相當于在關鍵結構關鍵部位獲得"免疫力"。激光沖擊強化在不改變設計的基礎上能很好提高其疲勞性能,在葉片邊緣、孔槽結構、焊接結構、轉接R等關鍵部位均有很好的應用價值。

 

         美國1997年開始在發(fā)動機葉片上采用激光沖擊強化技術,目前在F119發(fā)動機風扇和壓氣機整體葉盤采用激光沖擊強化技術提高疲勞壽命4~5倍。除發(fā)動機外,F(xiàn)-22飛機機身孔結構、T-45艦載機攔阻桿等結構均采用激光沖擊強化提供疲勞壽命,大大延長了檢修周期。日本采用激光沖擊強化核反應堆壓力容器焊縫,提高了焊縫抗應力腐蝕性能。

 

         激光沖擊強化技術的"先鋒隊"

 

         中航工業(yè)制造所是國內最早開始激光沖擊強化的單位之一,擁有專門的研究團隊和較強的科研實力。歷經十幾年的穩(wěn)步發(fā)展,在應用基礎研究、專用裝備研制、工藝技術研究、標準制定等多層次取得了一系列成果,為該技術在我國的發(fā)展奠定了堅實的基礎:在國內率先開展發(fā)動機鈦合金葉片的激光沖擊強化技術研究,進而突破了航空發(fā)動機整體葉盤激光沖擊強化的多項關鍵技術;從國際合作研制強脈沖激光器到自我研制高頻率強脈沖激光器,開發(fā)激光沖擊強化設備;從圓形光斑轉化到方形光斑激光沖擊強化,成功解決了葉片薄壁結構邊緣變形和殘余應力沖突的技術難題;采用柔性光學關節(jié)和小型激光加工頭,實現(xiàn)了隱蔽面的激光沖擊強化;分析了激光沖擊強化高溫合金后殘余應力釋放慢的特性,突破了渦輪盤榫齒等難強化面表面強化的瓶頸;針對行業(yè)內對新技術執(zhí)行規(guī)范的高度關注,適時發(fā)布了激光沖擊強化航空行業(yè)標準。中航工業(yè)制造所為工廠激光沖擊強化提供技術支持及成果轉讓,為航空制造領域推廣應用激光沖擊強化技術做出了自己應盡的貢獻。目前,制造所已實現(xiàn)整體葉盤的強化,將為長壽命、高性能的發(fā)動機設計提供一項關鍵技術。

 

         長壽命制造技術的新選擇

 

         隨著先進制造技術的發(fā)展,對航空裝備關鍵結構件的服役壽命要求越來越高,減重增效是先進裝備制造技術的永恒目標。制造所著眼行業(yè)需求,深入開展激光沖擊強化應用于金屬材料的焊接結構、機身孔結構、重點疲勞區(qū)轉接R等的抗疲勞制造技術研究,正在更廣泛的領域為關鍵構件的抗疲勞制造做出應有的貢獻。

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