航空領域滾壓強化技術的應用進展研究

　　摘要：借助滾壓工藝技術，可以在數(shù)控以及普通機床當中完成，并沒有較高的成本，并且環(huán)保無污染，效率非常理想，有著良好的兼容性，對當前航空針對構件性能提出的要求給予了滿足。本文針對航空領域滾壓強化技術的應用進展給出了詳細分析。

　　關鍵詞：航空領域;滾壓強化技術;應用進展

　　滾壓強化，需要借助金屬在常溫狀態(tài)下出現(xiàn)的冷縮性特征，利用滾壓工具，將一定的壓力施加在構件表面，這樣構件表層的金屬便會有彈塑性變形出現(xiàn)，進而使表層組織冷作硬化，將表面的微觀結構進行改變，將殘余壓應力引入其中，實現(xiàn)表面粗糙度降低的效果，也會將構件當中的抗HCF(高周疲勞)、抗SCC(應力腐蝕開裂)抗耐磨以及抗腐蝕性的性能進行改變。

　　1、葉片表面處理

　　HCF以及異物損傷屬于渦輪葉片、發(fā)動機風扇葉片以及渦輪葉片發(fā)生失效的主要形式，其中針對葉片滾壓實施強化的方式有多種類型。Prevey等學者在其研究當中發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機在服役的情況下，低塑性滾光技術對于Ti6Al4V風扇葉片疲勞極限進行的處理，會由之前的655MPa，增加到790MPa，處理過程中模擬異物損傷缺陷，具體的數(shù)據(jù)為深60°V型的0.5mm缺陷，并且風扇葉片發(fā)生疲勞極限由之前的240MPa，增加到了655MPa，對風扇葉片疲勞缺陷，深度為61.25mm的缺陷處理，由之前的206MPa，增加到了620MPa。在材料疲勞極限之上產生的應力作用環(huán)境下，不同的異物損傷缺陷深度，都有所不同。沒有經過處理前提下，使用風扇葉片的應用壽命，并沒有達到沒有異物損傷缺陷以及存在異物損傷缺陷，但利用低塑性滾光技術進行處理之后的風扇葉片壽命的1/10，這便說明借助低塑性滾光技術對其進行處理，可以將Ti6Al4V，制葉片產生的抗疲勞性能給予相應的提升，進而使異物損傷缺陷葉片存在的疲勞程度有一定的恢復[1]。

　　2、處理葉片楔形榫槽

　　微動發(fā)生的磨損疲勞，屬于航空渦輪發(fā)動機葉片楔形榫頭以及配合盤榫出現(xiàn)失效的重要形式，當前使用的一般方式方式為，將Cu-Ni-In涂層在榫槽表面制作，或者借助MoS2固體表面潤滑膜，這樣可以使配合面發(fā)生的摩擦系數(shù)有所降低，進而使微動損傷進一步減小。但這項技術有一定的缺點，為榫槽抗疲勞性能會受到潤滑膜完整性以及涂層產生影響，所以實施連續(xù)摩擦操作，會將涂層以及潤滑膜去除，暴露基體，進而出現(xiàn)微動損傷。針對楔形榫槽滾壓進行處理的方式共有兩種，如圖一所示。Prevey學者在研究當中。借助低塑性滾光技術，在壓氣機葉片榫槽當中，將殘余壓應力區(qū)進行引入，其深度為1.6mm，環(huán)境為室溫，頻率為30Hz，應力比為0.5。其中榫槽的位置模擬微動裂紋，其缺口為0.5mm深，在強化處理試樣之后，使得疲勞極限達到了620MPa，與沒有經過處理的缺口試樣260MPa帕相比，有著明顯的提升。

　　當缺口的深度為0.76mm以及1.00mm時，將疲勞極限經過強化處理之后，可以使其到達413MPa以及310MPa。設定滾壓將殘余壓引入之后，認定應力場的深度超過了缺口的深度，是提高疲勞性能的關鍵性因素，其中需要重點注意的是殘余壓應力，并不會影響榫槽接觸面，而產生循環(huán)剪應力[2]。但是循環(huán)剪應力，會對微動裂紋的產生有一定的促進，所以借助滾壓處理，不會將微動損傷進行消除。但在微動裂紋裂尖當中，存在的殘余壓應力，可以對上述微動微裂紋的進一步拓展進行阻止，或者起到減緩的效果，有益于使微動疲勞有所緩解。此外，如果微動疲勞產生的裂紋，沒有超過0.13mm的深度，那么借助低塑性滾光技術開展處理，對其進行緩解會非常容易。當前，對于風扇葉片以及壓氣機葉片壓力面榫槽配合盤榫槽等一系列的復雜結構接觸區(qū)域進行強化處理，已經成功開發(fā)出了專業(yè)的工具。

　　3、處理起落架

　　飛機的各個部件當中，最重要的受力部件便是起落架，對起落架提出的基本要求便是，有非常高的可靠性能和較長的使用壽命。其中SCC、腐蝕疲勞以及異物損傷，是使起落架組件發(fā)生失效的關鍵形式。當前飛機對于起落架進行應用時關鍵的承力構件包括：軸輪、活塞桿以及外筒等，大部分會對超高強度的鋼進行應用，例如：300M以及AF1410。這些鋼針對SCC、腐蝕疲勞以及應力集中產生的敏感性非常強，為了將因為表面粗糙度出現(xiàn)的應力集中問題給予降低，在其表面需要滿足的粗糙度要求，而應力復雜部位提出的要求。

　　但是在不當?shù)募庸た刂茥l件當中，很容易使超高強鋼表層出現(xiàn)微裂紋的情況，為了將SCC以及腐蝕有效降低，起落架系統(tǒng)在目前使用的工藝標準為鍍鉻以及鍍鎘。但該項工藝對環(huán)境會有一定的危害，借助滾壓表面強化功能，可以使表面的粗糙度有所降低，使局部應力集中的問題有所減小，且在構件表層會將殘余壓應力引入，從而將抗SCC、抗異物損傷以及腐蝕疲勞的性能提升，不會對環(huán)境產生任何的污染。

　　4、處理攪拌摩擦焊焊縫

　　攪拌摩擦焊焊接，是對于異種金屬實施的焊接，并不會引發(fā)較大的變形，并且產生的冶金性能非常優(yōu)異，可進一步在航空連接結構當中應用，使得機械連接孔的使用有所減小。但是，在具體攪拌時會因為熱應變梯度的復雜性以及存在的塑性應變梯度，使得焊接區(qū)有殘余拉應力出現(xiàn)。之后在熱影響區(qū)域的邊界當中達到最大的應力值，這樣便會將焊縫的抗SCC、抗腐蝕性性能等有所降低、此外，攪拌摩擦焊焊縫區(qū)的表面有著較大的粗糙度，與航空提出的要求性能并不相符，需要開展相應的處理。其中，借助低塑性滾光技術，對鋁合金攪拌摩擦焊焊縫進行處理，不但將產生的表面殘余拉應力進行了消除，還將殘余應力有所引入。

　　機械論文投稿刊物：《航空制造技術》(半月刊)創(chuàng)刊于1958年，由北京航空制造工程研究所主辦。本刊以先進性、實用性見長。在航空、航天、軍工領域及機床、模具、汽車、船舶等領域享有較高聲譽。是富有影響力的刊物。主要欄目：專稿、綜述、科技成果、學術論文、新工藝新技術新設備、技術改造技術革新、生產組織與管理、簡訊與工藝動態(tài)、裝備市場指南等。

　　5、結束語：

　　當前，對于低塑性滾光技術的應用，已經獲得了越來越多的認可，有效將構件表面的微觀結構改變，將殘余壓應力引入其中，實現(xiàn)表面粗糙度降低的效果，并進一步強化了抗HCF抗SCC、抗耐磨以及抗腐蝕性的性能。

　　參考文獻：

　　[1]王燕禮,朱有利,楊嘉勤.滾壓強化技術及在航空領域研究應用進展[J].航空制造技術,2018,61(5):75-83.

　　[2]趙波,姜燕,別文博.超聲滾壓技術在表面強化中的研究與應用進展[J].航空學報,2020.

　　[3]孔志營.齒輪齒面超聲滾壓強化技術研究[D].大連理工大學,2014.

　　作者：趙賽男

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