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中国突破发动机整体叶盘激光冲击强化等多项技术

2013-04-09 08:33
雷本祖
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  激光冲击强化(Laser shock peening,LSP)是近几年发展起来的一种新型表面强化技术,目前在美国已广泛应用于航空发动机关键结构件的表面强化。该技术已成为先进发动机叶片强化的必选技术之一。它的应用大幅度提高了构件的抗疲劳寿命,在航空、航天、石油、核电、汽车等领域有着广泛的应用前景。

  精确的“光爆炸”优良的“免疫力”

  该技术是利用高峰值功率密度(>109W/cm2)的脉冲激光透过约束层后作用于金属靶材表面的吸收层上,产生受约束的高压(>1GPa)等离子体,产生的冲击波使金属材料表层产生塑性变形,获得表面残余压应力,从而提高结构疲劳性能。激光冲击强化是激光加工中峰值功率最高的,产生的等离子体相当于在材料表面产生小爆炸,但由于作用时间极短(纳秒量级),热作用仅在吸收层几微米深度,对待强化构件是一种冲击波作用的冷加工,可以获得光滑的微米级凹陷、毫米级残余压应力层。相比喷丸而言,激光冲击强化可以获得更深的残余压应力层,更光滑的表面,更易于精确控制。对发动机钛合金叶片而言,一旦叶片边缘因外物破坏形成缺口,其疲劳强度急剧减低,而激光冲击强化获得的残余压应力层能很好阻止或者延缓裂纹萌生,提高结构的疲劳寿命和安全性,相当于在关键结构关键部位获得“免疫力”。激光冲击强化在不改变设计的基础上能很好提高其疲劳性能,在叶片边缘、孔槽结构、焊接结构、转接R等关键部位均有很好的应用价值。

激光冲击强化加工金属表面

  美国1997年开始在发动机叶片上采用激光冲击强化技术,目前在F119发动机风扇和压气机整体叶盘采用激光冲击强化技术提高疲劳寿命4~5倍。除发动机外,F-22飞机机身孔结构、T-45舰载机拦阻杆等结构均采用激光冲击强化提供疲劳寿命,大大延长了检修周期。日本采用激光冲击强化核反应堆压力容器焊缝,提高了焊缝抗应力腐蚀性能。

  激光冲击强化技术的“先锋队”

  中航工业制造所是国内最早开始激光冲击强化的单位之一,拥有专门的研究团队和较强的科研实力。历经十几年的稳步发展,在应用基础研究、专用装备研制、工艺技术研究、标准制定等多层次取得了一系列成果,为该技术在我国的发展奠定了坚实的基础:在国内率先开展发动机钛合金叶片的激光冲击强化技术研究,进而突破了航空发动机整体叶盘激光冲击强化的多项关键技术;从国际合作研制强脉冲激光器到自我研制高频率强脉冲激光器,开发激光冲击强化设备;从圆形光斑转化到方形光斑激光冲击强化,成功解决了叶片薄壁结构边缘变形和残余应力冲突的技术难题;采用柔性光学关节和小型激光加工头,实现了隐蔽面的激光冲击强化;分析了激光冲击强化高温合金后残余应力释放慢的特性,突破了涡轮盘榫齿等难强化面表面强化的瓶颈;针对行业内对新技术执行规范的高度关注,适时发布了激光冲击强化航空行业标准。中航工业制造所为工厂激光冲击强化提供技术支持及成果转让,为航空制造领域推广应用激光冲击强化技术做出了自己应尽的贡献。目前,制造所已实现整体叶盘的强化,将为长寿命、高性能的发动机设计提供一项关键技术。

  长寿命制造技术的新选择

  随着先进制造技术的发展,对航空装备关键结构件的服役寿命要求越来越高,减重增效是先进装备制造技术的永恒目标。制造所着眼行业需求,深入开展激光冲击强化应用于金属材料的焊接结构、机身孔结构、重点疲劳区转接R等的抗疲劳制造技术研究,正在更广泛的领域为关键构件的抗疲劳制造做出应有的贡献。
 

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