2 在壓氣機整體葉盤轉(zhuǎn)子上的應(yīng)用與發(fā)展

在配裝F-22戰(zhàn)斗機的F119發(fā)動機的工程管理研制中，PW公司發(fā)現(xiàn)第4級高壓壓氣機整體葉盤轉(zhuǎn)子存在抗外來物損傷容限裕度明顯不足的問題。要想滿足F-22 戰(zhàn)斗機的性能要求，F119發(fā)動機第4級高壓壓氣機整體葉盤轉(zhuǎn)子的門限值應(yīng)力強度因子需要提高3倍。如果進行重新設(shè)計，估計需要1000萬美元以上的費用，并且需要較長的時間。這不但增加F119發(fā)動機的研制費用，更嚴重的是影響了F-22 戰(zhàn)斗機的研制進度。為此，PW公司決定嘗試采用激光沖擊強化技術(shù)處理這一費用昂貴且結(jié)構(gòu)復雜的整體葉盤轉(zhuǎn)子，以提高其抗外來物損傷容限的裕度。

由于激光沖擊強化技術(shù)最初是針對處理單個葉片開發(fā)的，這就需要實現(xiàn)由處理單個葉片擴展到處理復雜結(jié)構(gòu)的整體葉盤轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)變。首先，LSPT公司與PW公司一起確定新的工藝參數(shù)，疲勞試驗與生產(chǎn)質(zhì)量保證程序；開發(fā)適用于整體葉盤處理的透明的和不透明的涂覆層。2003年3月，LSPT公司采用人工涂覆不透明涂覆層的方法，開始對F119發(fā)動機的第4級高壓壓氣機整體葉盤進行激光沖擊強化處理[6,11]。同年，美國空軍和PW 公司為F-22戰(zhàn)斗機建立了價值2億美元的激光沖擊強化生產(chǎn)線。由于在LSPT公司的自動RapidCoater™涂層涂敷機投入使用前要采用膠帶法完成定型試驗，最初的生產(chǎn)還是采用膠帶涂覆法。到2005年2月底，LSPT公司已經(jīng)向PW公司交付了經(jīng)過激光沖擊強化的96個F119發(fā)動機的第4級高壓壓氣機整體葉盤。經(jīng)過激光沖擊處理后，有微裂紋與疲勞強度不夠的受損傷葉片的疲勞強度為413.7MPa，完全滿足379MPa的設(shè)計要求。經(jīng)過激光沖擊處理的葉片楔形根部的微動疲勞壽命至少延長25倍以上。

由于整體葉盤的幾何形狀復雜，采用膠帶涂覆法進行激光沖擊強化，不但耗時長，而且勞動強度大。為此，需要進行以下一些改進工作：

（1）改進現(xiàn)有的RapidCoater™系統(tǒng)，采用延長的噴嘴，以方便進入到整體葉盤緊密排列的葉片之間，以此法來處理像整體葉盤這樣結(jié)構(gòu)復雜的部件。

（2）在整體葉盤激光沖擊強化間增加質(zhì)量控制監(jiān)控器，并集成到整體葉盤沖擊強化間內(nèi)；安置自動的激光束能量校準系統(tǒng)。

（3）為整體葉盤改進應(yīng)用于RapidCoater™系統(tǒng)的涂覆層。

（4）建立滿足PW 公司質(zhì)量系統(tǒng)要求的裝置與處理程序。

采用RapidCoater™系統(tǒng)，在目前的激光重復率（0.25 Hz）下使生產(chǎn)效率提高2~3倍；采用在ManTech研究計劃下開發(fā)的提高激光重復率1~2 倍的技術(shù)，使生產(chǎn)效率進一步提高3倍左右；通過降低維護費用、縮短停工時間和提高工藝效率，降低了激光沖擊強化的費用。這樣，基本實現(xiàn)了使F119發(fā)動機第4級高壓壓氣機整體葉盤激光強化時間由原來的40h以上縮短到原來的1/9~1/6和費用至少降低50%~70%的目標。

2004年，激光沖擊強化技術(shù)大量用于F119-PW-100發(fā)動機第4#p#分頁標題#e#級高壓壓氣機整體葉盤等部件的生產(chǎn)，還擴展應(yīng)用到F119發(fā)動機的其他幾級高壓壓氣機轉(zhuǎn)子上，也應(yīng)用在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機的JSF120和JSF119發(fā)動機上。到2009年，75%的F119發(fā)動機高壓壓氣機整體葉盤都經(jīng)過了激光沖擊處理。這一技術(shù)的應(yīng)用使F-22戰(zhàn)斗機與F119發(fā)動機的維護檢查頻率降低30%~50%，單位飛行費用降低，任務(wù)準備等級明顯提高。

近期，在美國NAV AIR第二階段的SBIR研究項目下，LSPT公司研究了采用激光沖擊強化處理像葉片榫槽這樣的激光難以進入的區(qū)域，以改進其微動磨損與微動疲勞特性[4]。具體方法是減小激光束的尺寸、采用相似動力密度的激光產(chǎn)生深的壓縮應(yīng)力，通過關(guān)節(jié)桿將激光束交付到處理槍。在普渡大學的疲勞試驗室采用Ti6Al4V葉片試樣對航空發(fā)動機葉片與榫槽間微動磨損與微動疲勞情況進行了模擬。結(jié)果表明，激光沖擊強化對表面應(yīng)力和殘余應(yīng)力深度都產(chǎn)生了很好的影響，使疲勞壽命延長20~25倍。其收益包括降低激光系統(tǒng)的費用、減小激光系統(tǒng)的占地面積和提高抗微動疲勞的能力。

結(jié)束語

隨著技術(shù)的不斷成熟和效率的迅速提高，激光沖擊強化將更廣泛地應(yīng)用在軍用戰(zhàn)斗機/ 轟炸機/ 直升機發(fā)動機與商用客機發(fā)動機風扇與壓氣機葉片上，在使其抗外物損傷能力大大提高和高循環(huán)疲勞壽命明顯延長的同時，也能夠使其成本降低、污染降低和生產(chǎn)效率提高。另外，激光沖擊強化正在逐步擴展到CH-47傳輸齒輪、M-1坦克發(fā)動機、 KC-135飛機結(jié)構(gòu)件、大型汽輪機、水輪機葉片以及石油管道、汽車關(guān)鍵零部件等領(lǐng)域。因而，其不僅現(xiàn)在是，而且將來很長一段時間內(nèi)仍然是大有發(fā)展?jié)摿Φ臒衢T技術(shù)。