航空发动机钛合金叶片喷丸强化残余应力研究

张彩珍,杨健,魏磊,李跃辉,吕建勋,陈林洪

(西安航空动力股份有限公司,西安710021)

钛合金具有优异的比刚度、比强度、抗高温性能和抗腐蚀性能,对振动载荷及冲击载荷作用下裂纹扩展的敏感性低,因此在现代航空发动机中的用量越来越大[1—2]。钛合金零件在加工成形过程中都将引起残余应力,残余应力的存在对其疲劳强度、抗脆断能力、抗应力腐蚀开裂及形状尺寸的稳定性有着重要影响[3—5]。历史上许多灾难性破坏事故大多是由零部件结构中的残余应力引起的[6—7],据统计,在发动机零部件的失效事件中,叶片的损坏和失效占70%左右,因此研究航空发动机叶片的残余应力非常必要。

目前航空航天工业主要利用喷丸强化来改善零件的疲劳性能和提高应力腐蚀开裂抗力,从而提高零件的可靠性和耐久性[8—10]。通过喷丸强化[11]使叶片表层发生塑性变形,形成一定厚度的强化层。强化层内形成较高的残余压应力,叶片承受载荷时可以抵消一部分拉应力,从而提高叶片的疲劳强度。但喷丸残余压应力在疲劳过程中并不是稳定的[12],在一定的应力场和温度场的单独或共同作用下,残余应力会发生衰减。国内外有关钛合金叶片喷丸后残余应力场的分布规律和叶片使用后残余应力衰减规律的研究鲜有报道。针对这种情况,本文通过X射线衍射技术[13—15]对钛合金叶片喷丸后残余应力场以及使用后的残余应力衰减规律进行研究分析,掌握其残余应力分布状况及衰减规律,对于确保钛合金叶片的安全性和可靠性有着非常重要的意义,并最终达到有效预测叶片剩余寿命的目的。

1 实验

实验用叶片为某型发动机风扇叶片和压气机叶片,叶片测试位置为叶身部位。

采用XStress-3000应力测定仪测试残余应力,依据GB/T 7704—2008进行检测,其主要参数为:侧倾法、Ti靶、管电压 20 kV、管电流 7 mA、衍射晶面(110)、无应力衍射角 137.4°、弹性模量 110 GPa、泊松比0.33、曝光时间25 s、准直器尺寸φ2 mm、在倾角±30°范围内选取5个Ψ角。

实验分别测试了风扇叶片和压气机叶片喷丸后表面残余应力、喷丸后深度方向残余应力分布、使用300 h和600 h后的表面残余应力。

2 结果和讨论

2.1 新叶片喷丸后残余应力场分布

图1和图2为风扇叶片和压气机叶片喷丸后表面残余应力场的分布。通过电解抛光对喷丸叶片进行剥层处理,测试深度残余应力,图3为风扇叶片和压气机叶片喷丸后残余应力场沿层深的分布规律。

由图1和图2可以看出,通过喷丸工艺在叶片表面形成了残余压应力场,可以有效提高叶片的抗疲劳性能。通过统计分析,喷丸后风扇叶片残余应力的90%左右分布在-600～-800 MPa,残余应力均值约为-682 MPa;喷丸后压气机叶片残余应力的90%左右分布在-500～-700 MPa,残余应力均值约为-603 MPa。本文引入分布标准偏差,用来衡量数据分布的分散程度[16],标准偏差可通过下式计算:

式中:S为标准偏差,n为测试测试点,i=1～n,xi为测试值,为n次测试的平均值。

通过计算可以得到风扇叶片残余应力测试的标准偏差为58.2 MPa,相对标准偏差约为8.5%;压气机叶片残余应力测试的标准偏差为64.2 MPa,相对标准偏差约为10.6%。由此表明,喷丸后叶片试样表面残余应力分布较为均匀,风扇叶片较压气机叶片更为均匀,这是因为压气机叶片相比风扇叶片而言形状尺寸较小,而叶型表面曲率较大,影响了喷丸效果。

由图3可以看出,喷丸后风扇叶片和压气机叶片的表面残余应力约为-610 MPa;在次表面层残余压应力随深度的增加而增大,在距离表面一定距离处存在一个最大值,最大残余应力分别为-739 MPa和-683 MPa,此处的深度分别为11 μm和13 μm;随后残余应力随着深度的增加而逐渐减小,残余应力场深度约为50 μm。叶片中残余压应力的存在可以阻碍材料疲劳裂纹的萌生和扩展,因此可以有效的提高其疲劳性能。

2.2 叶片使用后残余应力分析

图4和图5为风扇叶片和压气机叶片使用300 h和600 h后的表面残余应力场的分布。可以看出,风扇叶片使用300 h后应力分布在-460～-720 MPa;使用600 h后应力分布在-430～-700 MPa;压气机叶片使用300 h后应力分布在-470～-670 MPa,使用600 h后应力分布在-360～-620 MPa。

2.3 叶片使用前后残余应力的衰减规律

根据测试结果,采用平均压应力、最小压应力、最大压应力来研究分析叶片喷丸后和使用后应力衰减规律,如图6所示。与喷丸后的残余应力相比,叶片使用300 h后和600 h后平均压应力、最小压应力、最大压应力都有不同程度的衰减。

对风扇叶片而言,与喷丸后残余应力相比,使用300 h后平均压应力衰减了60 MPa,最小压应力衰减了100 MPa,最大压应力衰减了90 MPa,最大衰减量占喷丸残余应力的15%左右;使用600 h后平均压应力衰减了100 MPa,最小压应力衰减了130 MPa,最大压应力衰减了110 MPa,最大衰减量占喷丸残余应力的20%左右。

对压气机叶片而言,与喷丸后残余应力相比,使用300 h后平均压应力衰减了40 MPa,最小压应力衰减很少,最大压应力衰减了70 MPa,最大衰减量占喷丸残余应力的12%左右;使用600 h后平均压应力衰减了70 MPa,最小压应力衰减了120 MPa,最大压应力衰减了115 MPa,最大衰减量占喷丸残余应力的20%左右。

可以看出随着发动机叶片使用时间的增加,残余压应力衰减量逐渐增加。

3 结论

1)喷丸后钛合金叶片表面存在较大的残余压应力且分布较为均匀。较大的残余压应力能提高叶片的抗疲劳性能,增加叶片的使用寿命。

2)喷丸后钛合金叶片残余压应力随层深的增加先增大后减小,残余应力场深度约为50 μm。

3)与喷丸后的残余应力相比,使用后的钛合金叶片残余应力有衰减趋势,而且随着叶片使用时间的增加,残余压应力衰减量逐渐增加。