航空領(lǐng)域滾壓強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展研究

　　摘要：借助滾壓工藝技術(shù)，可以在數(shù)控以及普通機(jī)床當(dāng)中完成，并沒(méi)有較高的成本，并且環(huán)保無(wú)污染，效率非常理想，有著良好的兼容性，對(duì)當(dāng)前航空針對(duì)構(gòu)件性能提出的要求給予了滿(mǎn)足。本文針對(duì)航空領(lǐng)域滾壓強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展給出了詳細(xì)分析。

　　關(guān)鍵詞：航空領(lǐng)域;滾壓強(qiáng)化技術(shù);應(yīng)用進(jìn)展

　　滾壓強(qiáng)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(gòu)件表面，這樣構(gòu)件表層的金屬便會(huì)有彈塑性變形出現(xiàn)，進(jìn)而使表層組織冷作硬化，將表面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，將殘余壓應(yīng)力引入其中，實(shí)現(xiàn)表面粗糙度降低的效果，也會(huì)將構(gòu)件當(dāng)中的抗HCF(高周疲勞)、抗SCC(應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂)抗耐磨以及抗腐蝕性的性能進(jìn)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(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片以及渦輪葉片發(fā)生失效的主要形式，其中針對(duì)葉片滾壓實(shí)施強(qiáng)化的方式有多種類(lèi)型。Prevey等學(xué)者在其研究當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在服役的情況下，低塑性滾光技術(shù)對(duì)于Ti6Al4V風(fēng)扇葉片疲勞極限進(jìn)行的處理，會(huì)由之前的655MPa，增加到790MPa，處理過(guò)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(fēng)扇葉片發(fā)生疲勞極限由之前的240MPa，增加到了655MPa，對(duì)風(fēng)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(chǎn)生的應(yīng)力作用環(huán)境下，不同的異物損傷缺陷深度，都有所不同。沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理前提下，使用風(fēng)扇葉片的應(yīng)用壽命，并沒(méi)有達(dá)到?jīng)]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(shù)進(jìn)行處理之后的風(fēng)扇葉片壽命的1/10，這便說(shuō)明借助低塑性滾光技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理，可以將Ti6Al4V，制葉片產(chǎn)生的抗疲勞性能給予相應(yīng)的提升，進(jìn)而使異物損傷缺陷葉片存在的疲勞程度有一定的恢復(fù)[1]。

　　2、處理葉片楔形榫槽

　　微動(dòng)發(fā)生的磨損疲勞，屬于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片楔形榫頭以及配合盤(pán)榫出現(xiàn)失效的重要形式，當(dāng)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(rùn)滑膜，這樣可以使配合面發(fā)生的摩擦系數(shù)有所降低，進(jìn)而使微動(dòng)損傷進(jìn)一步減小。但這項(xiàng)技術(shù)有一定的缺點(diǎn)，為榫槽抗疲勞性能會(huì)受到潤(rùn)滑膜完整性以及涂層產(chǎn)生影響，所以實(shí)施連續(xù)摩擦操作，會(huì)將涂層以及潤(rùn)滑膜去除，暴露基體，進(jìn)而出現(xiàn)微動(dòng)損傷。針對(duì)楔形榫槽滾壓進(jìn)行處理的方式共有兩種，如圖一所示。Prevey學(xué)者在研究當(dāng)中。借助低塑性滾光技術(shù)，在壓氣機(jī)葉片榫槽當(dāng)中，將殘余壓應(yīng)力區(qū)進(jìn)行引入，其深度為1.6mm，環(huán)境為室溫，頻率為30Hz，應(yīng)力比為0.5。其中榫槽的位置模擬微動(dòng)裂紋，其缺口為0.5mm深，在強(qiáng)化處理試樣之后，使得疲勞極限達(dá)到了620MPa，與沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的缺口試樣260MPa帕相比，有著明顯的提升。

　　當(dāng)缺口的深度為0.76mm以及1.00mm時(shí)，將疲勞極限經(jīng)過(guò)強(qiáng)化處理之后，可以使其到達(dá)413MPa以及310MPa。設(shè)定滾壓將殘余壓引入之后，認(rèn)定應(yīng)力場(chǎng)的深度超過(guò)了缺口的深度，是提高疲勞性能的關(guān)鍵性因素，其中需要重點(diǎn)注意的是殘余壓應(yīng)力，并不會(huì)影響榫槽接觸面，而產(chǎn)生循環(huán)剪應(yīng)力[2]。但是循環(huán)剪應(yīng)力，會(huì)對(duì)微動(dòng)裂紋的產(chǎn)生有一定的促進(jìn)，所以借助滾壓處理，不會(huì)將微動(dòng)損傷進(jìn)行消除。但在微動(dòng)裂紋裂尖當(dāng)中，存在的殘余壓應(yīng)力，可以對(duì)上述微動(dòng)微裂紋的進(jìn)一步拓展進(jìn)行阻止，或者起到減緩的效果，有益于使微動(dòng)疲勞有所緩解。此外，如果微動(dòng)疲勞產(chǎn)生的裂紋，沒(méi)有超過(guò)0.13mm的深度，那么借助低塑性滾光技術(shù)開(kāi)展處理，對(duì)其進(jìn)行緩解會(huì)非常容易。當(dāng)前，對(duì)于風(fēng)扇葉片以及壓氣機(jī)葉片壓力面榫槽配合盤(pán)榫槽等一系列的復(fù)雜結(jié)構(gòu)接觸區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化處理，已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出了專(zhuān)業(yè)的工具。

　　3、處理起落架

　　飛機(jī)的各個(gè)部件當(dāng)中，最重要的受力部件便是起落架，對(duì)起落架提出的基本要求便是，有非常高的可靠性能和較長(zhǎng)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(guān)鍵形式。當(dāng)前飛機(jī)對(duì)于起落架進(jìn)行應(yīng)用時(shí)關(guān)鍵的承力構(gòu)件包括：軸輪、活塞桿以及外筒等，大部分會(huì)對(duì)超高強(qiáng)度的鋼進(jìn)行應(yīng)用，例如：300M以及AF1410。這些鋼針對(duì)SCC、腐蝕疲勞以及應(yīng)力集中產(chǎn)生的敏感性非常強(qiáng)，為了將因?yàn)楸砻娲植诙瘸霈F(xiàn)的應(yīng)力集中問(wèn)題給予降低，在其表面需要滿(mǎn)足的粗糙度要求，而應(yīng)力復(fù)雜部位提出的要求。

　　但是在不當(dāng)?shù)募庸た刂茥l件當(dāng)中，很容易使超高強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)為鍍鉻以及鍍鎘。但該項(xiàng)工藝對(duì)環(huán)境會(huì)有一定的危害，借助滾壓表面強(qiáng)化功能，可以使表面的粗糙度有所降低，使局部應(yīng)力集中的問(wèn)題有所減小，且在構(gòu)件表層會(huì)將殘余壓應(yīng)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(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)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(duì)于異種金屬實(shí)施的焊接，并不會(huì)引發(fā)較大的變形，并且產(chǎn)生的冶金性能非常優(yōu)異，可進(jìn)一步在航空連接結(jié)構(gòu)當(dāng)中應(yīng)用，使得機(jī)械連接孔的使用有所減小。但是，在具體攪拌時(shí)會(huì)因?yàn)闊釕?yīng)變梯度的復(fù)雜性以及存在的塑性應(yīng)變梯度，使得焊接區(qū)有殘余拉應(yīng)力出現(xiàn)。之后在熱影響區(qū)域的邊界當(dāng)中達(dá)到最大的應(yīng)力值，這樣便會(huì)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(kāi)展相應(yīng)的處理。其中，借助低塑性滾光技術(shù)，對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊焊縫進(jìn)行處理，不但將產(chǎn)生的表面殘余拉應(yīng)力進(jìn)行了消除，還將殘余應(yīng)力有所引入。

　　機(jī)械論文投稿刊物：《航空制造技術(shù)》(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(jìn)性、實(shí)用性見(jiàn)長(zhǎng)。在航空、航天、軍工領(lǐng)域及機(jī)床、模具、汽車(chē)、船舶等領(lǐng)域享有較高聲譽(yù)。是富有影響力的刊物。主要欄目：專(zhuān)稿、綜述、科技成果、學(xué)術(shù)論文、新工藝新技術(shù)新設(shè)備、技術(shù)改造技術(shù)革新、生產(chǎn)組織與管理、簡(jiǎn)訊與工藝動(dòng)態(tài)、裝備市場(chǎng)指南等。

　　5、結(jié)束語(yǔ)：

　　當(dāng)前，對(duì)于低塑性滾光技術(shù)的應(yīng)用，已經(jīng)獲得了越來(lái)越多的認(rèn)可，有效將構(gòu)件表面的微觀結(jié)構(gòu)改變，將殘余壓應(yīng)力引入其中，實(shí)現(xiàn)表面粗糙度降低的效果，并進(jìn)一步強(qiáng)化了抗HCF抗SCC、抗耐磨以及抗腐蝕性的性能。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]王燕禮,朱有利,楊嘉勤.滾壓強(qiáng)化技術(shù)及在航空領(lǐng)域研究應(yīng)用進(jìn)展[J].航空制造技術(shù),2018,61(5):75-83.

　　[2]趙波,姜燕,別文博.超聲滾壓技術(shù)在表面強(qiáng)化中的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].航空學(xué)報(bào),2020.

　　[3]孔志營(yíng).齒輪齒面超聲滾壓強(qiáng)化技術(shù)研究[D].大連理工大學(xué),2014.

　　作者：趙賽男

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