2 在壓氣機整體(ti) 葉盤轉子上的應用與(yu) 發展

在配裝F-22戰鬥機的F119發動機的工程管理研製中，PW公司發現第4級高壓壓氣機整體(ti) 葉盤轉子存在抗外來物損傷(shang) 容限裕度明顯不足的問題。要想滿足F-22 戰鬥機的性能要求，F119發動機第4級高壓壓氣機整體(ti) 葉盤轉子的門限值應力強度因子需要提高3倍。如果進行重新設計，估計需要1000萬(wan) 美元以上的費用，並且需要較長的時間。這不但增加F119發動機的研製費用，更嚴(yan) 重的是影響了F-22 戰鬥機的研製進度。為(wei) 此，PW公司決(jue) 定嚐試采用激光衝(chong) 擊強化技術處理這一費用昂貴且結構複雜的整體(ti) 葉盤轉子，以提高其抗外來物損傷(shang) 容限的裕度。

由於(yu) 激光衝(chong) 擊強化技術最初是針對處理單個(ge) 葉片開發的，這就需要實現由處理單個(ge) 葉片擴展到處理複雜結構的整體(ti) 葉盤轉子的轉變。首先，LSPT公司與(yu) PW公司一起確定新的工藝參數，疲勞試驗與(yu) 生產(chan) 質量保證程序；開發適用於(yu) 整體(ti) 葉盤處理的透明的和不透明的塗覆層。2003年3月，LSPT公司采用人工塗覆不透明塗覆層的方法，開始對F119發動機的第4級高壓壓氣機整體(ti) 葉盤進行激光衝(chong) 擊強化處理[6,11]。同年，美國空軍(jun) 和PW 公司為(wei) F-22戰鬥機建立了價(jia) 值2億(yi) 美元的激光衝(chong) 擊強化生產(chan) 線。由於(yu) 在LSPT公司的自動RapidCoater™塗層塗敷機投入使用前要采用膠帶法完成定型試驗，最初的生產(chan) 還是采用膠帶塗覆法。到2005年2月底，LSPT公司已經向PW公司交付了經過激光衝(chong) 擊強化的96個(ge) F119發動機的第4級高壓壓氣機整體(ti) 葉盤。經過激光衝(chong) 擊處理後，有微裂紋與(yu) 疲勞強度不夠的受損傷(shang) 葉片的疲勞強度為(wei) 413.7MPa，完全滿足379MPa的設計要求。經過激光衝(chong) 擊處理的葉片楔形根部的微動疲勞壽命至少延長25倍以上。

由於(yu) 整體(ti) 葉盤的幾何形狀複雜，采用膠帶塗覆法進行激光衝(chong) 擊強化，不但耗時長，而且勞動強度大。為(wei) 此，需要進行以下一些改進工作：

（1）改進現有的RapidCoater™係統，采用延長的噴嘴，以方便進入到整體(ti) 葉盤緊密排列的葉片之間，以此法來處理像整體(ti) 葉盤這樣結構複雜的部件。

（2）在整體(ti) 葉盤激光衝(chong) 擊強化間增加質量控製監控器，並集成到整體(ti) 葉盤衝(chong) 擊強化間內(nei) ；安置自動的激光束能量校準係統。

（3）為(wei) 整體(ti) 葉盤改進應用於(yu) RapidCoater™係統的塗覆層。

（4）建立滿足PW 公司質量係統要求的裝置與(yu) 處理程序。

采用RapidCoater™係統，在目前的激光重複率（0.25 Hz）下使生產(chan) 效率提高2~3倍；采用在ManTech研究計劃下開發的提高激光重複率1~2 倍的技術，使生產(chan) 效率進一步提高3倍左右；通過降低維護費用、縮短停工時間和提高工藝效率，降低了激光衝(chong) 擊強化的費用。這樣，基本實現了使F119發動機第4級高壓壓氣機整體(ti) 葉盤激光強化時間由原來的40h以上縮短到原來的1/9~1/6和費用至少降低50%~70%的目標。

2004年，激光衝(chong) 擊強化技術大量用於(yu) F119-PW-100發動機第4#p#分頁標題#e#級高壓壓氣機整體(ti) 葉盤等部件的生產(chan) ，還擴展應用到F119發動機的其他幾級高壓壓氣機轉子上，也應用在聯合攻擊戰鬥機的JSF120和JSF119發動機上。到2009年，75%的F119發動機高壓壓氣機整體(ti) 葉盤都經過了激光衝(chong) 擊處理。這一技術的應用使F-22戰鬥機與(yu) F119發動機的維護檢查頻率降低30%~50%，單位飛行費用降低，任務準備等級明顯提高。

近期，在美國NAV AIR第二階段的SBIR研究項目下，LSPT公司研究了采用激光衝(chong) 擊強化處理像葉片榫槽這樣的激光難以進入的區域，以改進其微動磨損與(yu) 微動疲勞特性[4]。具體(ti) 方法是減小激光束的尺寸、采用相似動力密度的激光產(chan) 生深的壓縮應力，通過關(guan) 節杆將激光束交付到處理槍。在普渡大學的疲勞試驗室采用Ti6Al4V葉片試樣對航空發動機葉片與(yu) 榫槽間微動磨損與(yu) 微動疲勞情況進行了模擬。結果表明，激光衝(chong) 擊強化對表麵應力和殘餘(yu) 應力深度都產(chan) 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係統的費用、減小激光係統的占地麵積和提高抗微動疲勞的能力。

結束語

隨著技術的不斷成熟和效率的迅速提高，激光衝(chong) 擊強化將更廣泛地應用在軍(jun) 用戰鬥機/ 轟炸機/ 直升機發動機與(yu) 商用客機發動機風扇與(yu) 壓氣機葉片上，在使其抗外物損傷(shang) 能力大大提高和高循環疲勞壽命明顯延長的同時，也能夠使其成本降低、汙染降低和生產(chan) 效率提高。另外，激光衝(chong) 擊強化正在逐步擴展到CH-47傳(chuan) 輸齒輪、M-1坦克發動機、 KC-135飛機結構件、大型汽輪機、水輪機葉片以及石油管道、汽車關(guan) 鍵零部件等領域。因而，其不僅(jin) 現在是，而且將來很長一段時間內(nei) 仍然是大有發展潛力的熱門技術。