整體葉盤疲勞失效怎么辦

01整體葉盤疲勞失效特性（1）疲勞失效基本機(jī)理。金屬材料疲勞失效是由損傷累積、裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展到失穩(wěn)斷裂的漸進(jìn)過(guò)程。裂紋按受力情況分為張開型、滑開型和撕開型，其中受拉應(yīng)力作用的張開型裂紋最為危險(xiǎn)。疲勞壽命主要由疲勞裂紋萌生壽命和擴(kuò)展壽命組成。長(zhǎng)疲勞壽命的零件材料，應(yīng)具有高疲勞強(qiáng)度、高疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值、低裂紋擴(kuò)展速率和較好的斷裂韌性。整體葉盤一般采用鈦合金及鎳基高溫合金等具有良好綜合力學(xué)性能的金屬材料。但這些材料的疲勞強(qiáng)度對(duì)表面缺口應(yīng)力集中效應(yīng)比較敏感，隨應(yīng)力集中系數(shù)的提高而大幅下降。整體葉盤的疲勞抗力不單受材料限制，而且在很大程度上取決于表面狀態(tài)、受力狀況、局部形狀及尺寸。疲勞裂紋一般萌生于整體葉盤的局部應(yīng)力集中區(qū)、高應(yīng)變區(qū)以及強(qiáng)度最弱部位。為此，整體葉盤對(duì)加工表面完整性要求高，不允許有表面缺陷、磕碰傷痕，嚴(yán)格控制接刀痕的大小和位置，盡量避免加工表層缺陷成為疲勞源，同時(shí)采用抗疲勞強(qiáng)化技術(shù)改善加工表面狀態(tài)，抑制和延緩裂紋的萌生與擴(kuò)展。（2）輪盤部位疲勞失效。在整體葉盤上，輪盤剖面形狀一般采用等厚度輪心、錐形輻板和鼓筒的組合形式。盤中心孔、輻板與鼓筒壁轉(zhuǎn)接處、安裝邊連接孔、排污孔等幾何截面突變及材料不連續(xù)部位為輪盤的關(guān)鍵部位。這些部位往往存在應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部應(yīng)力過(guò)高，在交變載荷作用下易演變?yōu)槠谠?。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)慢車、巡航、額定、最大等工作狀態(tài)及起停過(guò)程中，整體葉盤在復(fù)雜多變的轉(zhuǎn)速下工作，自身質(zhì)量產(chǎn)生較大的離心力。在高溫高壓環(huán)境中，鈦合金和鎳基高溫合金材料的輪盤導(dǎo)熱性差而使溫度沿半徑方向呈非線性分布，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。在伴有表面缺陷及應(yīng)力集中的情況下，輪盤受離心力、熱應(yīng)力以及其他交變載荷的疊加作用而發(fā)生疲勞累積損傷，引起低周疲勞失效。盤中心孔是容易出現(xiàn)低周疲勞失效的典型部位。（3）葉片部位疲勞失效。整體葉盤葉片通常采用帶有一定掠形的薄壁寬弦結(jié)構(gòu)，具有大彎扭、變截面特點(diǎn)，其關(guān)鍵部位主要為葉根、葉尖和前后緣。在全飛行包線內(nèi)，氣流誘導(dǎo)振動(dòng)引起的顫振使葉片多表現(xiàn)為低周疲勞斷裂；氣流激振力導(dǎo)致葉片發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)甚至共振，并承受較大的振動(dòng)應(yīng)力，較易引發(fā)葉片高周疲勞斷裂。葉片部位的疲勞斷裂與整體葉盤的振動(dòng)特性具有一定關(guān)聯(lián)性。整體葉盤一體化結(jié)構(gòu)降低了盤片振動(dòng)阻尼，而鈦合金和鎳基高溫合金等材料又具有較低的阻尼比，對(duì)葉片振動(dòng)的衰減作用小。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比和高增壓比的要求下，整體葉盤輪盤部位的厚度逐漸減薄，壓氣機(jī)葉片與輪盤的剛度接近，葉片表面負(fù)荷越來(lái)越大，盤片耦合振動(dòng)更加突出。薄壁寬弦葉片一般具有弦向彎曲振型，在振動(dòng)應(yīng)力作用下弦向中間較易出現(xiàn)疲勞裂紋。在理想情況下，通常將整體葉盤設(shè)計(jì)為諧調(diào)周期結(jié)構(gòu)。制造誤差、材料分散性及運(yùn)行磨損往往引起非主動(dòng)的葉盤結(jié)構(gòu)失諧。葉盤失諧引起的振動(dòng)響應(yīng)局部化和模態(tài)振型局部化，激勵(lì)及振型不能均勻傳遞，振動(dòng)能量集中在少數(shù)葉片上，使其振幅大大增加并承受較高的交變應(yīng)力，引起葉片部位高周疲勞失效。02整體葉盤抗疲勞強(qiáng)化技術(shù)

（1）振動(dòng)光飾。振動(dòng)光飾通過(guò)磨料對(duì)整體葉盤的葉片部位進(jìn)行刻劃、滾壓和微量磨削，減小或去除葉片加工刀痕，獲得均勻規(guī)整的表面紋理，使葉片表面粗糙度值達(dá)到Ra=0.4μm或更小，如圖1所示。整體葉盤一般采用無(wú)中心島式振動(dòng)光飾設(shè)備，該設(shè)備采用平底筒形加工容器，便于整體葉盤裝夾固定，通過(guò)振動(dòng)電動(dòng)機(jī)和偏心塊使磨料作三維螺旋運(yùn)動(dòng)，確保葉片部位在去除量小且均勻的情況下獲得較低的表面粗糙度值。振動(dòng)光飾的表面質(zhì)量主要取決于合理匹配的加工設(shè)備、磨料介質(zhì)、研磨劑及工藝參數(shù)，其中工藝參數(shù)包括振幅、振動(dòng)頻率、光飾時(shí)間、磨液噴灑周期及流量等。振動(dòng)光飾可將表面粗糙度值降低1～2個(gè)等級(jí)，通過(guò)減小加工刀痕深度和銳度來(lái)降低應(yīng)力集中程度，在表層引入殘余壓應(yīng)力，并使表層顯微硬度有所提高，從而提高葉片疲勞強(qiáng)度。振動(dòng)光飾在表層引入的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)較淺且殘余壓應(yīng)力數(shù)值較低，降低和均化原有殘余應(yīng)力的作用有限。（2）噴丸強(qiáng)化。噴丸可使整體葉盤的表層形成塑性形變細(xì)化組織，提高晶格畸變程度及位錯(cuò)密度，抑制或延緩疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展。噴丸引入的殘余壓應(yīng)力可削減裂紋處的拉應(yīng)力水平，增強(qiáng)疲勞裂紋閉合效應(yīng)，提高疲勞裂紋張開的臨界應(yīng)力水平，使疲勞源位置向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，材料內(nèi)部疲勞強(qiáng)度約為表面疲勞強(qiáng)度的1.35倍，從而提高整體葉盤疲勞抗力。噴丸強(qiáng)化效果受彈丸尺寸及硬度、彈丸速度及流量、噴射角度及時(shí)間、噴嘴至強(qiáng)化表面距離等因素影響。根據(jù)整體葉盤材料、強(qiáng)化部位、載荷水平、工作環(huán)境等因素，確定噴丸強(qiáng)度和彈丸種類。整體葉盤可分輪盤和葉片兩類噴丸區(qū)域。通常情況下，輪盤區(qū)域選擇鋼丸，葉片區(qū)域選擇陶瓷丸或玻璃丸。采用Almen試片或模擬件進(jìn)行試驗(yàn)，選擇適當(dāng)?shù)膰娡韫に噮?shù)，從而使正式件的輪盤和葉片獲得規(guī)定的噴丸強(qiáng)度和表面覆蓋率。數(shù)控噴丸設(shè)備常為單噴嘴結(jié)構(gòu)，羅羅公司的噴丸設(shè)備采用了圖2所示的卡鉗式噴嘴結(jié)構(gòu)，可對(duì)葉片盆背進(jìn)行對(duì)噴，控制葉片變形。組織強(qiáng)化和應(yīng)力強(qiáng)化為噴丸強(qiáng)化因素，而表面粗糙度值增大及表層損傷為噴丸弱化因素。受兩種因素的綜合作用，材料疲勞強(qiáng)度與噴丸強(qiáng)度之間存在非單調(diào)變化規(guī)律，在最佳噴丸強(qiáng)度范圍內(nèi)才能獲得最好的抗疲勞性能。過(guò)度噴丸會(huì)使表面粗糙度值增大并產(chǎn)生微裂紋等損傷性缺陷，降低改善抗疲勞性能的效果。二次噴丸或噴丸后進(jìn)行振動(dòng)光飾可削弱表面粗糙度值增大帶來(lái)的不利影響。（3）激光沖擊強(qiáng)化。激光沖擊強(qiáng)化通過(guò)強(qiáng)激光誘導(dǎo)的等離子體沖擊波對(duì)整體葉盤的葉片進(jìn)行強(qiáng)化，如圖3所示，使強(qiáng)化部位的表層發(fā)生高應(yīng)變率的塑性變形，改變材料表層微觀組織，細(xì)化晶粒并產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，形成高幅值殘余壓應(yīng)力層，提高滑移形變抗力，增加裂紋擴(kuò)展晶界阻力，抑制疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。激光沖擊強(qiáng)化效果的影響因素主要有激光參數(shù)、透明約束層、能量吸收層、材料、搭接率以及沖擊次數(shù)等，其中激光參數(shù)包括脈沖能量、脈寬及光斑大小。研究表明，當(dāng)沖擊波壓力是材料Hugoniot彈性極限的2.0～2.5倍時(shí)，沖擊強(qiáng)化性能較好。在激光沖擊強(qiáng)化時(shí)，可根據(jù)材料的Hugoniot彈性極限，依次確定沖擊波壓力和激光功率密度，再選定激光參數(shù)。與噴丸相比，激光沖擊強(qiáng)化能形成深度更深、數(shù)值更大的殘余壓應(yīng)力層，提升高溫下殘余壓應(yīng)力的穩(wěn)定性，有效維持強(qiáng)化位置的表面粗糙度和尺寸精度。整體葉盤的葉片前后緣及葉片隱蔽面是制約整體葉盤強(qiáng)化效果及效率的關(guān)鍵部位，可通過(guò)專用軟件導(dǎo)入葉盤數(shù)模文件進(jìn)行路徑規(guī)劃與干涉分析。激光沖擊強(qiáng)化需要大量試驗(yàn)支撐，在確保葉片型面尺寸、葉型輪廓度及表面粗糙度滿足設(shè)計(jì)要求且無(wú)熱損傷的前提下，提高整體葉盤疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)疲勞壽命。（4）冷擠壓強(qiáng)化。整體葉盤連接孔的冷擠壓強(qiáng)化技術(shù)處于試驗(yàn)驗(yàn)證和小范圍應(yīng)用階段。整體葉盤連接孔通常位于較薄的安裝邊，具有較高的尺寸精度和位置精度，要求孔擠壓強(qiáng)化在不引起整體葉盤變形的情況下提高抗疲勞性能?？讛D壓強(qiáng)化通過(guò)擠壓工具對(duì)整體葉盤連接孔的孔壁進(jìn)行連續(xù)、緩慢、均勻的擠壓，可在孔壁周圍產(chǎn)生塑性變形層，引起形變強(qiáng)化，形成一定的殘余壓應(yīng)力，改善孔壁表面質(zhì)量，降低孔邊應(yīng)力集中和潛在微裂紋帶來(lái)的不利影響，延長(zhǎng)整體葉盤連接孔的疲勞壽命，如圖4所示。心棒擠壓強(qiáng)化和開縫襯套擠壓強(qiáng)化是廣泛應(yīng)用的孔擠壓強(qiáng)化方法，一般要求構(gòu)件厚度≥3mm，孔邊距比≥2?？讛D壓強(qiáng)化效果受擠壓工具、擠壓工藝參數(shù)和被擠壓材料等因素限制。擠壓量和摩擦因數(shù)是孔擠壓強(qiáng)化的重要工藝參數(shù)。擠壓量對(duì)孔邊壓應(yīng)力水平起決定性作用，選擇最佳的擠壓量對(duì)孔擠壓強(qiáng)化尤為重要。過(guò)小的擠壓量對(duì)孔的擠壓強(qiáng)化作用有限，產(chǎn)生的疲勞增益不明顯；過(guò)大的擠壓量需要高擠壓力，引起孔壁損傷和結(jié)構(gòu)變形。優(yōu)質(zhì)的潤(rùn)滑劑可產(chǎn)生較小的摩擦系數(shù)，大幅降低擠壓載荷，最大程度降低孔壁損傷。針對(duì)孔擠壓強(qiáng)化的應(yīng)力測(cè)試和有限元分析表明，擠壓強(qiáng)化后孔邊附近的殘余壓應(yīng)力沿厚度方向分布不均勻，擠入端較小，中間部位最大；受擠壓后經(jīng)疲勞試驗(yàn)，孔裂紋多產(chǎn)生于孔壁邊緣。在整體葉盤孔擠壓強(qiáng)化技術(shù)研究和應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)注重分析孔口的應(yīng)力分布和疲勞壽命。在心棒擠壓強(qiáng)化前，選擇合適的倒角尺寸對(duì)初孔進(jìn)行倒角，會(huì)使孔壁得到更好的殘余壓應(yīng)力分布，對(duì)提高孔的抗疲勞性能更加有益。03結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)整體葉盤疲勞失效特性的分析可知，整體葉盤在服役過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生疲勞損傷。在材料性能及結(jié)構(gòu)尺寸