根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，大約有80%以上的結(jié)構(gòu)強度破壞是由疲勞破壞造成的。而航空發(fā)動機零件由疲勞破壞造成的失效所占比例更大。航空發(fā)動機零件失效，大多數(shù)因強度失效、磨損失效和腐蝕失效等材料表面不能勝任苛刻工作條件所致，而且大多數(shù)發(fā)生在零件的表面和近表面，或者先從表面開始向內(nèi)部擴散所致，進而顯著影響發(fā)動機的性能與壽命。對零部件進行適度的表面強化或硬化，能阻止已有裂紋的擴展和新裂紋的產(chǎn)生，從而提高疲勞強度。因此，對于強調(diào)高安全性、長壽命、低壽命期成本的航空發(fā)動機來說，采用表面處理提高其部件，特別是葉片的抗疲勞能力特別重要。為此，國外研制和驗證了諸如激光沖擊強化、激光熔覆、低塑性拋光技術(shù)等表面處理技術(shù)，且取得了一定的效果。本文將重點綜述由Lambda公司開發(fā)研制的低塑性拋光技術(shù)。

    低塑性拋光技術(shù)原理與特點

    低塑性拋光技術(shù)（LPB）是以機械噴丸與機械滾壓原理為基礎(chǔ)，通過少量的冷作或塑性變形產(chǎn)生深層高殘余壓應(yīng)力的新表面強化技術(shù)。它可以采用傳統(tǒng)的多軸計算機數(shù)控（CNC）機床刀具，通過改變壓力、進給、刀具特性，全新地控制殘余應(yīng)力的分布。

    低塑性拋光工作原理是通過1個自由旋轉(zhuǎn)的球形工具的一系列滾動產(chǎn)生累積的塑性應(yīng)變或者冷作，進而產(chǎn)生接近材料屈服強度的殘余壓應(yīng)力。該球形工具是由1個球形液體浮動座支承，不與支承座相接觸，由液壓作動筒使其對工件表面施加滾壓載荷，施加的載荷由CNC軟件控制。來自球體的壓力在材料上形成塑性變形，由于變形區(qū)受周圍材料的約束從而留下殘余壓應(yīng)力，無材料損失，只是表面向內(nèi)位移千分之幾英寸。傳統(tǒng)噴丸的多次隨機丸粒沖擊則會產(chǎn)生20%，甚至超過100%的冷作，形成有較高位錯密度的表面嚴重變形層，對受壓層的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性產(chǎn)生危害。

    低塑性拋光技術(shù)是1種改進的預(yù)防原始設(shè)備制造商（OEM）部件裂紋形成的方法，雖然與噴丸技術(shù)具有在部件的關(guān)鍵區(qū)域形成殘余壓應(yīng)力層的相同目的，但是該技術(shù)具有以下特點：

    （1）由低塑性拋光處理后在表面形成的“安全區(qū)”的深度是1.0mm，而由噴丸處理后在表面形成的“安全區(qū)”的深度僅為0.10mm，相差10倍。當(dāng)外來物損傷或者腐蝕發(fā)生時，經(jīng)噴丸處理后的表面腐蝕可能繼續(xù)擴展到部件更深處，形成裂紋，導(dǎo)致該部件報廢。

    （2）在室溫（屬于冷加工）下采用噴丸技術(shù)通過小球狀材料撞擊修理的部件表面，形成凹坑且產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而這些凹坑使部件材料更加松散，使修理功效大打折扣。而在恒定的較高溫度（不屬于冷加工）下采用低塑性拋光技術(shù)修理的部件表面，施加殘余壓力精準且將壓力傳遞到部件足夠深處，且不會引起部件變形。

    （3）低塑性拋光技術(shù)，對表面的凹凸度具有一定的撫平作用，使工件光潔度Ra的改善優(yōu)于5μm；

    能夠保證零件表面各處應(yīng)力大小適中，可以避免腐蝕擴展到部件更深的區(qū)域，從而極大地減輕部件的損傷。

    （4）與傳統(tǒng)機械加工相比，低塑性拋光技術(shù)可以用較低的成本，在零件表面生成用于消除施加的拉伸力的殘余應(yīng)力分布，提供最佳的疲勞性能。

    （5）低塑性拋光技術(shù)不需要采用特殊的或昂貴的設(shè)備，只要將低塑性拋光設(shè)備與磨床、車床或者機器人連接，在其表面以精確的壓力滾壓即可，一次性完成零件加工，無需檢驗。施壓設(shè)備與圓珠筆的外形相類似，只是尺寸較大，工具的底槽中有1個硬球，硬球在液壓力的推動下滾壓部件而實現(xiàn)拋光即可，從而很大程度上減少了人為錯誤的發(fā)生。

    （6）低塑性拋光技術(shù)可用于鐵合金、鈦合金、合金鋼、不銹鋼、鎳合金、鋁合金、鑄鐵等金屬，適用范圍非常廣。

    低塑性拋光技術(shù)目前在NASA、美國海軍及空軍資助下進行了一系列的應(yīng)用研究。

    低塑性拋光技術(shù)是Lambda公司的專利技術(shù)，始于1996年，并得到了NASA的投資和支持。該項技術(shù)于2004年實現(xiàn)了商業(yè)化，2009年獲得了美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）授權(quán)用于航空發(fā)動機部件修理，2011 年12 月獲得了FAA頒發(fā)的補充型號證書（STC）。低塑性拋光技術(shù)最初只是用于渦輪發(fā)動機金屬部件的加工，目前已擴展應(yīng)用于飛機部件的加工。

    Ti-6Al-4V壓氣機葉片上的應(yīng)用

    Lambda公司在對激光噴丸強化與低塑性拋光技術(shù)對比研究中發(fā)現(xiàn)，激光噴丸強化風(fēng)扇及壓氣機葉片的進氣邊可以提高損傷容限，以FOD深度來說，至少提高了1個數(shù)量級。雖然通過激光噴丸強化獲得的高數(shù)量級穿透厚度壓應(yīng)力能夠延緩疲勞裂紋的起始及生長，但是需要昂貴的特殊激光系統(tǒng)才能實現(xiàn)。在對比試驗研究中，采用低塑性拋光技術(shù)通過受控深度模擬進氣邊FOD，對實際風(fēng)扇葉片疲勞性能進行試驗評估。為了獲得適當(dāng)?shù)哪M外物損傷（FOD） 深度，在試驗中記錄了使用過的葉片在使用中所產(chǎn)生的FOD 的尺寸及位置分布。 在使用中進氣邊產(chǎn)生的FOD 深度范圍是0.005~0.50mm。觀察到的95%的FOD都小于0.50mm。如果在檢驗過程中發(fā)現(xiàn)FOD深0.13mm，則取下葉片進行返修或更換。為了保守起見，選擇0.50mm為本葉片中含有的最小FOD深度。

    通過在葉片進氣邊加載產(chǎn)生疲勞過程中產(chǎn)生最大應(yīng)力的位置上機械加工60°“V”形槽，模擬的0.50mm和1.2mm深的FOD。設(shè)計了LPB加工的CNC 路徑并且建立了LPB 參數(shù)，從葉片的進氣邊到距葉片進氣邊6.4mm弦面的公稱距離產(chǎn)生穿透厚度的-689MPa公稱壓縮應(yīng)力。沒有FOD時，經(jīng)過LPB處理，疲勞強度比未經(jīng)過處理的葉片提高207MPa，接近材料的屈服強度。除了1個例子外，經(jīng)過LPB處理的葉片在沒有FOD條件下，在這么高的應(yīng)力狀態(tài)下試驗，大多數(shù)都在低塑性拋光技術(shù)處理過的區(qū)域外斷裂，通常是在燕尾榫頭區(qū)域。

    在1個未經(jīng)過低塑性拋光技術(shù)處理的葉片上制造1個深0.5mm的模擬FOD后，疲勞強度從689MPa降低到241MPa，降低了65%。在經(jīng)過LPB處理的葉片上制造1個相同深度0.5mm的FOD后，疲勞強度等于未經(jīng)過LPB處理、沒有FOD 葉片的強度。LPB處理后，1.27mm深的FOD使疲勞強度降低到620MPa，僅比未經(jīng)過處理的葉片的疲勞強度小10%。

    經(jīng)過LPB處理的葉片即使有0.5mm的FOD的疲勞強度，接近材料的拉伸屈服強度。低塑性拋光技術(shù)產(chǎn)生的高壓應(yīng)力抑制了裂紋的起始和生長，提高了有和沒有FOD的疲勞強度。然而，這種優(yōu)點對于大多數(shù)表面損傷的情況都很明顯。穿透厚度的壓應(yīng)力以應(yīng)力向或進入受壓區(qū)的方式添加了施加的拉伸應(yīng)力偏差，從而造成較高的允許變化應(yīng)力。利用AFGROW法則進行的以斷裂機理為基礎(chǔ)的疲勞壽命分析證明，對于薄板中穿透厚度受壓區(qū)的邊緣裂紋生長來說，持久極限一般等于壓應(yīng)力的數(shù)量級，容許的損傷（裂紋）深度約等于穿透厚度受壓區(qū)的寬度（從邊緣測量）。

    目前，低塑性拋光技術(shù)在F402-RR-408發(fā)動機和CFM56-7發(fā)動機第1級低壓壓氣機葉片上得到了應(yīng)用，以提高抗外物損傷容限和高循環(huán)疲勞延長航空發(fā)動機葉片的使用壽命。CFM56-7發(fā)動機的第1級壓氣機的每1個葉片的成本約為1000美元，因腐蝕和裂紋損傷引起的非計劃維修的費用遠遠高于其成本。為了解決因各種腐蝕、侵蝕、裂紋應(yīng)力損傷、外來物損傷而引起的發(fā)動機修理問題，達美技術(shù)運營公司與Lambda 公司合作在達美航空公司位于亞特蘭大的維修廠為LPB設(shè)備配備通用的數(shù)控機床，用于CFM56-7發(fā)動機部件的維修。 在維修過程中使用1個特殊的控制盒，將軟件生成的部件壓力分布圖信息傳輸給數(shù)控設(shè)備，當(dāng)維修人員將零件固定好后，按下按鈕啟動控制盒，然后控制盒將會按照設(shè)好的精確壓力滾壓部件。整套裝置采用閉環(huán)反饋系統(tǒng)感知液壓力，因此可以實時讀出所施加壓力的精確數(shù)值。目前，達美技術(shù)運營公司正在研究如何將低塑性拋光技術(shù)應(yīng)用于其他部件，還在研發(fā)飛機其他部件的表面處理技術(shù)，以期獲得更多的STC。

    17-4PH不銹鋼壓氣機葉片中的應(yīng)用

    低塑性拋光技術(shù)在美國海軍的T56發(fā)動機第1級壓氣機17-4PH不銹鋼壓氣機葉片進行了低塑性拋光技術(shù)和噴丸技術(shù)高循環(huán)疲勞、腐蝕性疲勞、一般腐蝕性疲勞試驗研究。具體是采用葉片邊緣形狀的厚截面試驗件，研究低塑性拋光技術(shù)與噴丸技術(shù)在高循環(huán)疲勞、損傷容限和鹽水腐蝕疲勞的特性（圖1）。試驗結(jié)果驗證：采用LPB，通過在1.0mm深度內(nèi)施加壓縮殘余應(yīng)力，大幅度提高了高循環(huán)疲勞和腐蝕疲勞性能。與噴丸T56葉片試驗件相比，低塑性拋光技術(shù)大幅度提高葉片邊緣抗外物損傷能力。基本疲勞強度是930MPa，僅比噴丸狀態(tài)的965MPa略低。相反，由于LPB引入了接近屈服強度的殘余壓應(yīng)力，因此產(chǎn)生了1240MPa的疲勞強度（彎曲中），超過材料的拉伸屈服強度1033MPa。當(dāng)用EDM（放電加工）制造一個深0.25mm、長0.76mm的FOD時，未經(jīng)過LPB的HCF性能下降得非常大。有FOD的噴丸和基本疲勞強度分別僅為275MPa和172MPa。而有相同F(xiàn)OD、表面經(jīng)過LPB處理的試樣的疲勞強度一般1033MPa，與沒有FOD的材料的基本強度相當(dāng)。

    腐蝕環(huán)境對燃氣渦輪發(fā)動機零件能夠產(chǎn)生很嚴重的影響，造成腐蝕凹坑和HCF壽命中很大的缺陷。鐵基不銹鋼中的鹽霧腐蝕凹坑是常見的疲勞裂紋起始處。鹽霧腐蝕凹坑是由于暴露在海洋大氣或蒸汽渦輪機環(huán)境中造成的。腐蝕坑的深度及相應(yīng)的應(yīng)力強度因數(shù)是由燃氣渦輪發(fā)動機暴露的時間、溫度、及使用環(huán)境決定的。鹽腐蝕坑一般會使持久極限降低到未經(jīng)過腐蝕值的一半。如果有FOD 或侵蝕，經(jīng)常會使腐蝕的影響加劇。

    疲勞試驗過程中，我們將厚截面彎曲試樣暴露在腐蝕介質(zhì)中，來監(jiān)控（疲勞循環(huán)過程中）強烈腐蝕對HCF行為的影響。將一塊浸有酸性鹽溶液（3.5%NaCl，pH3.5）的無化學(xué)品吸收性墊綁在試樣的計量截面上，并用薄塑料膜進行密封，防止蒸發(fā)。所有其他試驗條件與前面研究厚截面HCF 行為的描述一樣。在酸性鹽溶液中試驗的沒有FOD的低應(yīng)力磨削的基本疲勞強度一般是689MPa。含有0.25mm FOD的基本疲勞強度僅為69 MPa。經(jīng)過比較，經(jīng)過LPB 處理的樣品僅在腐蝕環(huán)境下的疲勞強度超過1102MPa，比沒有FOD以及有0.25mm FOD的基本狀態(tài)好。雖然沒有建立完全的SN曲線，但是，當(dāng)FOD深度增加到0.50mm和0.76mm時，HCF性能的進一步缺陷是很小的。

    結(jié)束語

    航空發(fā)動機經(jīng)常受到疲勞、外物損傷、腐蝕疲勞和摩擦疲勞的影響。即使是小的外物損傷、腐蝕坑或者其他表面損傷都能夠使疲勞失效集結(jié)，造成空難性的后果。避免疲勞失效所需的檢驗和維護成本每年估計都是幾十億美元。通過設(shè)計和改變材料一般都是使用巨大的成本有限地改善疲勞。低塑性拋光技術(shù)可以在傳統(tǒng)的機械加工車間環(huán)境中，在原始的制造階段或大修及修理過程中，采用傳統(tǒng)的CNC機床較低成本地完成。因而，它具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。