激光冲击叶片榫头变形控制与疲劳试验.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul252014Vol35No72041—2048ISSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaeducnhkxb@buaaeducn激光冲击叶片榫头变形控制与疲劳试验何卫锋h+，李应红1，聂祥樊1，李志丰2，周留成11．空军工程大学等离子体动力学重点实验室，陕西西安7100382．中国人民解放军驻南方航空动力机械公司代表室，湖南株洲412002摘要：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

2、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

3、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％。关键词：激光冲击强化；镍基高温合金；叶片；榫头；疲劳；变形中图分类号：V232．4；V263．5文献标识码：A文章编号：10006893(2014)07～204108在航空发动机故障中，叶片故障占相当高比率[1]，是最突出的技术质量问题之一。对涡轮叶片，比较常见的故障是榫齿部位裂纹断裂，尤其是第一榫齿转接R处，该部位靠近叶片一阶弯曲振动节线，工作过程中的应力比较大，且与涡轮盘接触，存在微动磨损等现象，非常容易发生疲劳断裂。例如，某发动机涡轮叶片曾经发生过数起裂纹故障，故障部位均位于叶片

4、第一榫齿转接R处，工作时问从数百小时到数千小时不等，严重影响了发动机的安全使用[2]。对于发动机叶片疲劳断裂故障，其解决措施一般分为以下4个方面[2]：①改变叶片进、排气结构和共振转速来调整激振频率；②改变叶片自身结构以调节自振频率；③增加叶片的强度储备，提高叶片抗疲劳强度(更换性能更好的材料或采用表面处理方法)；④采用阻尼技术，增加振动控制措施，减小和抑制叶片的动力响应。调整发动机叶片和结构的自振频率，可以避免一定范围内共振引起的疲劳断裂，但由于转子工作转速范围大，无法避开各阶的振动频率。因此，提高发动机叶片抗疲劳强度显得尤为重要。由于不改变基体材料性能和原有结构设计的要求，表面强化

5、技术在航空发动机叶片中得到了广泛的应用，例如，不锈钢和钛合金叶片的喷丸和振动光饰口。5]。但是，对涡轮叶片，高温工作环境使喷丸强化产生的残余压应力容易松弛，强化效果降低邸]。与喷丸相比，激光冲击强化(LaserShockPeening，LSP)具有强化效果更佳、高温稳收稿日期：2013—09—02；退修日期：2013—09—12；录用日期：2013—11—15；网络出版时间：2013—12—0411：24网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V201312041124006html基金项目：国家自然科学基金(51205406)*通讯作者Tel：029—

6、84787527E-mail：hehecoco@163com黾属格式HeWF，LiYH，NieXF，etalDeformationcontrolandfat}guetestofbladetenonbylasershockpeening[J]ActaAeronauticaetAstronauticaSin／ca，2014，35(77：2041-2048侮卫锋，李应红，聂祥樊，等激光冲击叶片榫头变形控铂s疲劳试验!芘航空学报，2014，35(77：2041-2048航空学报定性更好等优点口。9]，已在美国航空发动机部件上得到了广泛的应用，尤其是对提高叶片疲劳强度、抗外来物打伤和抗应力腐蚀等

7、具有重要的作用‘””1。激光冲击强化一般采用波长为106411／11或532nlTl、短脉冲(几十纳秒)、高功率密度(>10。W／CITl2)的激光，通过特殊的吸收保护层、约束层结构将光能转化为冲击波的机械能对金属材料作用，利用的是冲击波力学效应而不是热效应[5]。其基本原理是：当激光辐照时，吸收保护层吸收激光能量，发生爆炸性汽化蒸发，产生高温(>10000K)、高压(>1GPa)的等离子体口4。1⋯，约束层f激光透明物质，例如玻璃和水)进一步