压气机丨中国航发：航空发动机高压压气机转子叶片抗疲劳技术研究
为了提高某型高压转子叶片的疲劳寿命，采用UG软件进行建模、自动编程、自动生成程序、刀路仿真及机床仿真等，并在五轴加工中心上加工叶片的型面，完成叶片的铣削部分。然后通过设置合理的工艺参数，采用超声波抛磨、气动抛磨及气动光整等低塑性抛光技术(LPB)对叶片表层进行处理。最后通过表面粗糙度、不同型面最大残余压应力、残余应力场深度、表面硬度、各个截面尺寸等分析叶片表面完整性及疲劳寿命。经过综合分析和检测，表面粗糙度达到Ra0.1μm，最大残余压应力提升5.3%，残余应力场深度提升不明显，表面硬度提高10%，各个截面尺寸均在设计范围之内，形成了一套较完整且稳定的提升疲劳寿命方法，有一定的借鉴意义。关键词：高压转子叶片；疲劳寿命；表面完整性；最大残余压应力；残余应力场深度0引言航空发动机高压压气机是以叶片为主要工作部件的一种叶轮机械，通过转子轴带动转子叶片高速旋转，对流道内气体做功，将输入的机械能转化为气体内能，输出高温高压气体。高压转子叶片数量多、结构单薄，工作在高速、载荷多变及工况复杂的环境下，极易产生疲劳失效，对航空安全性产生严重的影响。而高压转子叶片以疲劳失效为最常见的故障形式，产生疲劳失效的原因有多种，主要有表面粗糙度比较高和表面完整性不合格引起的振动、表面断裂及表面裂纹的产生等，还有叶片在加工、工作和修理过程中出现的侵蚀、表面沟痕、磨损等这些因素将会对转子叶片的疲劳性能产生严重影响，进而影响航空发动机的性能和使用寿命，也会给航行安全带来极大的危害。因此，对转子叶片抗疲劳制造技术的研究尤为重要，通过制造技术可以降低叶片表面粗糙度，改善叶片表面完整性。据美国学者的研究表明，转子叶片表面粗糙度的降低和表面精度的提升，可以提升航空发动机3%~6%的性能，延长航空发动机的服役时间。因此，做好航空发动机高压转子叶片机械加工工艺，提高叶片的加工精度，在提高航空发动机工作效率的同时，也可以有效地降低发动机的油耗，进一步改善发动机的经济性和适用性。1抗疲劳制造技术方法机械制造技术发展经历了成形制造、表面完整性制造及抗疲劳制造等过程，其中成形制造和表面完整性制造主要考虑成本、时间、空间等，技术评价是尺寸精度、形位公差、表面粗糙度等设计图样规定的技术要求，其主体是切削加工。抗疲劳制造过程中，除了考虑尺寸精度、形位公差、表面粗糙度等技术要求，还要评判零件的表层性能，如硬度、残余应力及应力场的深度，主要采用抗疲劳切削加工和高能复合表层改性。抗疲劳制造技术的提出使得一些像钛合金、高温合金及超高强度结构钢这类高强度材料的疲劳寿命得到了极大改善。因此，航空发动机叶片通过抗疲劳制造技术改性，其疲劳性能得到了大幅度的改善，延长了叶片的服役周期。抗疲劳制造技术改变了疲劳失效模式，进而使其制造的叶片零件可以实现极限寿命、极限可靠性、极限减重。因此，该技术的发展与进步可以使我国的航空制造行业得到进一步提升，其主要原理技术有以下几方面。1）表面喷丸技术。在航空制造领域中，表面喷丸技术主要有表面喷丸强化技术和表面喷丸成形技术两大类。其中表面喷丸强化技术是一种有效的表面微动防护方法，其通过高速喷射对叶片表层实施冷挤压，从而使叶片表层冷作硬化和产生残余压应力，进而改善叶片的抗疲劳性能，其原理如图1所示。张露通过对未喷丸的叶片和喷丸后的叶片进行振动疲劳强度试验，探究了叶片疲劳性能的改善效果，发现在长寿命区，与未喷丸的叶片相比，喷丸处理后的叶片能够承受更高的应力水平，随着循环次数的提高，两者差值越来越大，在2×10⁷循环次数下，喷丸处理后的叶片中值疲劳强度比未喷丸的叶片提高35.8%。由于喷丸处理后残余压应力的影响使得叶片抗弯能力提高，叶片振动疲劳强度有很大提高。 图1 表面喷丸技术原理2）激光冲击处理技术。激光冲击处理技术又称激光喷丸，其原理是通过冲击波压力(脉冲激光及叶片材料相互作用诱导的)对叶片表面改性，合理设置相关工艺参数，能适用于不同材料构件的表面处理。激光冲击处理技术可对叶片材料表面完整性有效改变，提高叶片材料的耐磨损、耐腐蚀性和抗疲劳寿命。何卫锋等探索了激光冲击强化参数，在标准试片上开展疲劳试验，通过设置合理参数条件，确定叶片冲击强化部位和方式，并对强化叶片进行了一阶弯曲振动疲劳试验、型面检查和强化机理研究，得出激光冲击强化能有效提高不锈钢材料振动疲劳寿命，例如，叶片各个截面尺寸在经过激光冲击强化后均在设计范围之内，强化后引起残余应力和表层微观组织变化，其叶片的应力-循环次数(S-N)曲线往上移动，提高了叶片的疲劳强度；在660MPa应力水平下，叶片的振动中值疲劳寿命提高70%。3）表面完整性技术。表面完整性是指在加工过程中造成的损伤或者是强化的表面状态，它是叶片制造加工过程中叶片表面材料可能引起的各种改变及其对疲劳性能影响的总述。表面完整性的评价内容主要有：a.表面形貌(叶片表面纹理和表面粗糙度等)；b.表面缺陷(叶片加工表面出现宏观裂纹、伤痕及腐蚀等)；c.叶片表面层微观组织及其冶金化学性能(叶片微观裂纹和组织变化等)；d.叶片表面层物理力学性能(叶片表面层硬化程度及深度、表面层残余应力的大小及分布)。因此，需要通过提升表面完整性技术(铣削、磨削和表面改性技术等)来改善加工过程中叶片表面材料可能出现的各种改变，提高叶片的疲劳性能。黄云等对叶片材料和磨削抗疲劳技术进行了总结，分析其对叶片表面层完整性的影响，为后续的抗疲劳制造技术的研究提供一定的帮助。2高压转子叶片的结构特点限于高压转子叶片的工作环境，要求其结构单薄、传动功率大、抗疲劳性强。本文研究的叶片属于典型的薄壁异形复杂结构件，如图2所示。该压气机转子叶片的材料为HG4169，是一种高温合金材料，具有弯、宽、薄等形状特点。 图2 压气机转子叶片三维模型及实物图3高压转子叶片(材料为GH4169)疲劳寿命提升工艺方案3.1 技术难点 1）技术难点一。高压转子叶片型面复杂，加工难度大，铣削过程中容易产生疲劳源。高压转子叶片作为航空发动机压气机的关键零部件，在发动机复杂环境（高温高压、载荷多变）容易产生疲劳失效、变形或者断裂现象，因此铣削过程至关重要，如果处理不当容易产生疲劳源，影响叶片的抗疲劳性能。2）技术难点二。在经过铣削加工后表面会存在一定的残余高度和波峰低谷，影响叶片表层的硬度、最大残余压应力、残余应力场深度及表面的粗糙度，最终导致叶片表面完整性降低。3.2 解决技术难点的方案设计根据上述叶片抗疲劳制造技术的论述，本文将从叶片铣削及叶片表层的硬度、最大残余压应力、残余应力场深度及表面的粗糙度等方面进行评判研究，以提高叶片表面完整性、改善叶片的疲劳性能和表面性能，进一步改善航空发动机性能和服役期。3.2.1 技术难点一的解决方案通过在UG和Mastercam三维设计软件中对发动机转子叶片加工进行优化并对比(如图3)，对比项目包括建模、自动编程、自动生成程序、刀路仿真、机床仿真；通过对比得知，在叶片这种复杂形状零件的建模、仿真、编程等方面，UG的优化效果更好，最终选取UG进行发动机转子叶片加工工艺仿真，并在台湾友佳U-600P五轴机床上加工试件，待试件加工合格后，固化相关加工参数，然后加工正式零件(如图4)，加工完成叶片的铣削部分。 图3 Mastercam和UG仿真对比图 图4 机床仿真、试件加工、正式零件加工图本文采用台湾友佳U-600P五轴机床进行叶片型面的加工，五轴联动编程思路如下：粗加工时，用UGNX中的mill multi-axis的可变轮廓铣进行编程加工，加工余量为0.05mm；精加工时，采用UGNX中的mill multi-axis的可变轮廓铣进行编程加工，加工余量为0mm。UG编程基本思路为：创建程序组→创建工件坐标系→创建工件几何体→创建工序。根据UG编程基本思路，需要完成的操作步骤如下：1)创建程序组。打开“加工”模块→几何视图→GEOMETRY→插入→程序组→命名。2)创建工件坐标系。几何视图→插入→GEOMETRY→几何体→选择工件坐标系“MCS”→命名工件坐标→设置安全高度。3)创建工件。几何视图→geometry→正面→插入→几何体→WORKPLECE→命名工件→指定部件和毛坯。4)创建工序。几何视图→geometry→工件→插入→工序。在UG软件中具体编程步骤及其相关参数设置如表1所示。 表1 编程步骤及其相关参数设置机床操作步骤如表2所示。 表2 台湾友佳U-600P五轴机床操作步骤3.2.2 技术难点二的解决方案本文采用低塑性抛光技术(LPB)对叶片表层进行处理，该技术是以机械喷丸与机械滚压原理为基础，通过少量的冷作硬化或塑性变形产生深层高残余压应力的新表面强化技术。低塑性抛光技术的原理如图5所示，一个可自由旋转的光滑硬球(对应本研究中采用的金刚石研磨膏和抛光膏)在法向力(对应气动风磨笔和气动磨刻机中气流的方向)的作用下沿某一方向进行滚压，使材料表面发生塑性延展，从而形成一个残余压应力层。其中，光滑硬球由一个球形液体浮动座支承(对应金刚石研磨膏和抛光膏中的液体)，在液压力的作用下两者互不接触，硬球仅与工件表面发生固体接触，同时喷射出的气体减轻了硬球与工件之间的摩擦。 图5 低塑性抛光技术原理图主要采用低塑性抛光技术的工艺方法包括超声波抛磨、气动抛磨、气动光整3个工序，具体如表3所示。 表3 低塑性抛光技术工艺参数及设备通过超声波抛磨、气动抛磨、气动光整三个工序后,使压气机转子叶片的表面粗糙度达到Ra0.1μm(检测方法如图6所示，取样长度为0.25mm，检测部位为叶背和叶盆)，低塑性抛光后表面硬度提高10%(检测方法如图7所示，加载时间为5s，加载负荷为1500N);叶盆型面最大残余压应力为455MPa(提升了14.6%),叶背型面最大残余压应力为459MPa（提升了5.3%），叶盆型面残余应力场深度为330μm（提升了3.1%），背型面残余应力场深度为310μm（检测结果如图8所示，图中，X23060275-01为五轴加工后未采用表面光整工艺的叶片；X23060275-02为五轴加工后采用表面光整工艺的叶片）；并在尺寸检测中叶身两端未出现扭角，叶片各个截面尺寸在均在设计范围之内（检测方法如图9所示）。 图6 表面粗糙度检测 图7 低塑性抛光前后的硬度检测 图8 最大残余压应力和残余应力场深度检测结果 图9 尺寸检测4结论本文通过在UG三维模拟软件中进行加工仿真优化，并在五轴加工中心进行实际加工；然后通过表面光整技术对高压转子叶片表面进行光整处理，在零件表面生成了残余压应力，该压应力可以用于消除叶片的部分残余拉应力，并使零件表面各处应力大小及应力场深度适中，可以避免腐蚀扩展到零件更深的区域，从而减轻对零件的损伤，提高了叶片的疲劳性能，提升了叶片的寿命，形成一套较完整且稳定的提升疲劳寿命方法。声明: 本文来源于网络, 仅供交流分享, 若涉及版权等问题请留言, 我们会及时处理 来源：两机动力先行
