整體葉盤疲勞失效怎么辦

01整體葉盤疲勞失效特性（1）疲勞失效基本機理。金屬材料疲勞失效是由損傷累積、裂紋萌生、裂紋擴展到失穩(wěn)斷裂的漸進過程。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。疲勞壽命主要由疲勞裂紋萌生壽命和擴展壽命組成。長疲勞壽命的零件材料，應(yīng)具有高疲勞強度、高疲勞裂紋擴展門檻值、低裂紋擴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度對表面缺口應(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)以及強度最弱部位。為此，整體葉盤對加工表面完整性要求高，不允許有表面缺陷、磕碰傷痕，嚴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，同時采用抗疲勞強化技術(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)力過高，在交變載荷作用下易演變?yōu)槠谠?。在航空發(fā)動機慢車、巡航、額定、最大等工作狀態(tài)及起停過程中，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，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)生強迫振動甚至共振，并承受較大的振動應(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，對葉片振動的衰減作用小。在航空發(fā)動機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，壓氣機葉片與輪盤的剛度接近，葉片表面負荷越來越大，盤片耦合振動更加突出。薄壁寬弦葉片一般具有弦向彎曲振型，在振動應(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)計為諧調(diào)周期結(jié)構(gòu)。制造誤差、材料分散性及運行磨損往往引起非主動的葉盤結(jié)構(gòu)失諧。葉盤失諧引起的振動響應(yīng)局部化和模態(tài)振型局部化，激勵及振型不能均勻傳遞，振動能量集中在少數(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整體葉盤抗疲勞強化技術(shù)

（1）振動光飾。振動光飾通過磨料對整體葉盤的葉片部位進行刻劃、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到Ra=0.4μm或更小，如圖1所示。整體葉盤一般采用無中心島式振動光飾設(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，通過振動電動機和偏心塊使磨料作三維螺旋運動，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、振動頻率、光飾時間、磨液噴灑周期及流量等。振動光飾可將表面粗糙度值降低1～2個等級，通過減小加工刀痕深度和銳度來降低應(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度。振動光飾在表層引入的殘余壓應(yīng)力場較淺且殘余壓應(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）噴丸強化。噴丸可使整體葉盤的表層形成塑性形變細化組織，提高晶格畸變程度及位錯密度，抑制或延緩疲勞裂紋的萌生及擴展。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)部疲勞強度約為表面疲勞強度的1.35倍，從而提高整體葉盤疲勞抗力。噴丸強化效果受彈丸尺寸及硬度、彈丸速度及流量、噴射角度及時間、噴嘴至強化表面距離等因素影響。根據(jù)整體葉盤材料、強化部位、載荷水平、工作環(huán)境等因素，確定噴丸強度和彈丸種類。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試片或模擬件進行試驗，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)，可對葉片盆背進行對噴，控制葉片變形。組織強化和應(yīng)力強化為噴丸強化因素，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，材料疲勞強度與噴丸強度之間存在非單調(diào)變化規(guī)律，在最佳噴丸強度范圍內(nèi)才能獲得最好的抗疲勞性能。過度噴丸會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行振動光飾可削弱表面粗糙度值增大帶來的不利影響。（3）激光沖擊強化。激光沖擊強化通過強激光誘導(dǎo)的等離子體沖擊波對整體葉盤的葉片進行強化，如圖3所示，使強化部位的表層發(fā)生高應(yīng)變率的塑性變形，改變材料表層微觀組織，細化晶粒并產(chǎn)生高密度位錯，形成高幅值殘余壓應(yīng)力層，提高滑移形變抗力，增加裂紋擴展晶界阻力，抑制疲勞裂紋的萌生和擴展。激光沖擊強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，沖擊強化性能較好。在激光沖擊強化時，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化效果及效率的關(guān)鍵部位，可通過專用軟件導(dǎo)入葉盤數(shù)模文件進行路徑規(guī)劃與干涉分析。激光沖擊強化需要大量試驗支撐，在確保葉片型面尺寸、葉型輪廓度及表面粗糙度滿足設(shè)計要求且無熱損傷的前提下，提高整體葉盤疲勞強度，延長疲勞壽命。（4）冷擠壓強化。整體葉盤連接孔的冷擠壓強化技術(shù)處于試驗驗證和小范圍應(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壓強化通過擠壓工具對整體葉盤連接孔的孔壁進行連續(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的不利影響，延長整體葉盤連接孔的疲勞壽命，如圖4所示。心棒擠壓強化和開縫襯套擠壓強化是廣泛應(yīng)用的孔擠壓強化方法，一般要求構(gòu)件厚度≥3mm，孔邊距比≥2?？讛D壓強化效果受擠壓工具、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)是孔擠壓強化的重要工藝參數(shù)。擠壓量對孔邊壓應(yīng)力水平起決定性作用，選擇最佳的擠壓量對孔擠壓強化尤為重要。過小的擠壓量對孔的擠壓強化作用有限，產(chǎn)生的疲勞增益不明顯；過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。針對孔擠壓強化的應(yīng)力測試和有限元分析表明，擠壓強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，孔裂紋多產(chǎn)生于孔壁邊緣。在整體葉盤孔擠壓強化技術(shù)研究和應(yīng)用過程中，應(yīng)注重分析孔口的應(yīng)力分布和疲勞壽命。在心棒擠壓強化前，選擇合適的倒角尺寸對初孔進行倒角，會使孔壁得到更好的殘余壓應(yīng)力分布，對提高孔的抗疲勞性能更加有益。03結(jié)語通過對整體葉盤疲勞失效特性的分析可知，整體葉盤在服役過程中不可避免地產(chǎn)生疲勞損傷。在材料性能及結(jié)構(gòu)尺寸