2 在壓氣機(jī)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(jī)的F119發(fā)動(dòng)機(jī)的工程管理研制中，PW公司發(fā)現(xiàn)第4級(jí)高壓壓氣機(jī)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(jī)的性能要求，F119發(fā)動(dòng)機(jī)第4級(jí)高壓壓氣機(jī)整體葉盤轉(zhuǎn)子的門限值應(yīng)力強(qiáng)度因子需要提高3倍。如果進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，估計(jì)需要1000萬美元以上的費(fèi)用，并且需要較長的時(shí)間。這不但增加F119發(fā)動(dòng)機(jī)的研制費(fèi)用，更嚴(yán)重的是影響了F-22 戰(zhàn)斗機(jī)的研制進(jìn)度。為此，PW公司決定嘗試采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)處理這一費(fèi)用昂貴且結(jié)構(gòu)復(fù)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(qiáng)化技術(shù)最初是針對(duì)處理單個(gè)葉片開發(fā)的，這就需要實(shí)現(xiàn)由處理單個(gè)葉片擴(kuò)展到處理復(fù)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(yàn)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(duì)F119發(fā)動(dòng)機(jī)的第4級(jí)高壓壓氣機(jī)整體葉盤進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理[6,11]。同年，美國空軍和PW 公司為F-22戰(zhàn)斗機(jī)建立了價(jià)值2億美元的激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)線。由于在LSPT公司的自動(dòng)RapidCoater™涂層涂敷機(jī)投入使用前要采用膠帶法完成定型試驗(yàn)，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(qiáng)化的96個(gè)F119發(fā)動(dòng)機(jī)的第4級(jí)高壓壓氣機(jī)整體葉盤。經(jīng)過激光沖擊處理后，有微裂紋與疲勞強(qiáng)度不夠的受損傷葉片的疲勞強(qiáng)度為413.7MPa，完全滿足379MPa的設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過激光沖擊處理的葉片楔形根部的微動(dòng)疲勞壽命至少延長25倍以上。

由于整體葉盤的幾何形狀復(fù)雜，采用膠帶涂覆法進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，不但耗時(shí)長，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大。為此，需要進(jìn)行以下一些改進(jìn)工作：

（1）改進(jìn)現(xiàn)有的RapidCoater™系統(tǒng)，采用延長的噴嘴，以方便進(jìn)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(fù)雜的部件。

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

（3）為整體葉盤改進(jìn)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(fù)率（0.25 Hz）下使生產(chǎn)效率提高2~3倍；采用在ManTech研究計(jì)劃下開發(fā)的提高激光重復(fù)率1~2 倍的技術(shù)，使生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高3倍左右；通過降低維護(hù)費(fèi)用、縮短停工時(shí)間和提高工藝效率，降低了激光沖擊強(qiáng)化的費(fèi)用。這樣，基本實(shí)現(xiàn)了使F119發(fā)動(dòng)機(jī)第4級(jí)高壓壓氣機(jī)整體葉盤激光強(qiáng)化時(shí)間由原來的40h以上縮短到原來的1/9~1/6和費(fèi)用至少降低50%~70%的目標(biāo)。

2004年，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)大量用于F119-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)第4#p#分頁標(biāo)題#e#級(jí)高壓壓氣機(jī)整體葉盤等部件的生產(chǎn)，還擴(kuò)展應(yīng)用到F119發(fā)動(dòng)機(jī)的其他幾級(jí)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上，也應(yīng)用在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)的JSF120和JSF119發(fā)動(dòng)機(jī)上。到2009年，75%的F119發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)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(jī)與F119發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)檢查頻率降低30%~50%，單位飛行費(fèi)用降低，任務(wù)準(zhǔn)備等級(jí)明顯提高。

近期，在美國NAV AIR第二階段的SBIR研究項(xiàng)目下，LSPT公司研究了采用激光沖擊強(qiáng)化處理像葉片榫槽這樣的激光難以進(jìn)入的區(qū)域，以改進(jìn)其微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞特性[4]。具體方法是減小激光束的尺寸、采用相似動(dòng)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(xué)的疲勞試驗(yàn)室采用Ti6Al4V葉片試樣對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片與榫槽間微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞情況進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，激光沖擊強(qiáng)化對(duì)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(fèi)用、減小激光系統(tǒng)的占地面積和提高抗微動(dòng)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(qiáng)化將更廣泛地應(yīng)用在軍用戰(zhàn)斗機(jī)/ 轟炸機(jī)/ 直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與商用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇與壓氣機(jī)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(shí)，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(qiáng)化正在逐步擴(kuò)展到CH-47傳輸齒輪、M-1坦克發(fā)動(dòng)機(jī)、 KC-135飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、大型汽輪機(jī)、水輪機(jī)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(shí)間內(nèi)仍然是大有發(fā)展?jié)摿Φ臒衢T技術(shù)。