整体叶盘疲劳失效怎么办

01整体叶盘疲劳失效特性（1）疲劳失效基本机理。金属材料疲劳失效是由损伤累积、裂纹萌生、裂纹扩展到失稳断裂的渐进过程。裂纹按受力情况分为张开型、滑开型和撕开型，其中受拉应力作用的张开型裂纹最为危险。疲劳寿命主要由疲劳裂纹萌生寿命和扩展寿命组成。长疲劳寿命的零件材料，应具有高疲劳强度、高疲劳裂纹扩展门槛值、低裂纹扩展速率和较好的断裂韧性。整体叶盘一般采用钛合金及镍基高温合金等具有良好综合力学性能的金属材料。但这些材料的疲劳强度对表面缺口应力集中效应比较敏感，随应力集中系数的提高而大幅下降。整体叶盘的疲劳抗力不单受材料限制，而且在很大程度上取决于表面状态、受力状况、局部形状及尺寸。疲劳裂纹一般萌生于整体叶盘的局部应力集中区、高应变区以及强度最弱部位。为此，整体叶盘对加工表面完整性要求高，不允许有表面缺陷、磕碰伤痕，严格控制接刀痕的大小和位置，尽量避免加工表层缺陷成为疲劳源，同时采用抗疲劳强化技术改善加工表面状态，抑制和延缓裂纹的萌生与扩展。（2）轮盘部位疲劳失效。在整体叶盘上，轮盘剖面形状一般采用等厚度轮心、锥形辐板和鼓筒的组合形式。盘中心孔、辐板与鼓筒壁转接处、安装边连接孔、排污孔等几何截面突变及材料不连续部位为轮盘的关键部位。这些部位往往存在应力集中，导致局部应力过高，在交变载荷作用下易演变为疲劳源。在航空发动机慢车、巡航、额定、最大等工作状态及起停过程中，整体叶盘在复杂多变的转速下工作，自身质量产生较大的离心力。在高温高压环境中，钛合金和镍基高温合金材料的轮盘导热性差而使温度沿半径方向呈非线性分布，产生较大的热应力。在伴有表面缺陷及应力集中的情况下，轮盘受离心力、热应力以及其他交变载荷的叠加作用而发生疲劳累积损伤，引起低周疲劳失效。盘中心孔是容易出现低周疲劳失效的典型部位。（3）叶片部位疲劳失效。整体叶盘叶片通常采用带有一定掠形的薄壁宽弦结构，具有大弯扭、变截面特点，其关键部位主要为叶根、叶尖和前后缘。在全飞行包线内，气流诱导振动引起的颤振使叶片多表现为低周疲劳断裂；气流激振力导致叶片发生强迫振动甚至共振，并承受较大的振动应力，较易引发叶片高周疲劳断裂。叶片部位的疲劳断裂与整体叶盘的振动特性具有一定关联性。整体叶盘一体化结构降低了盘片振动阻尼，而钛合金和镍基高温合金等材料又具有较低的阻尼比，对叶片振动的衰减作用小。在航空发动机高推重比和高增压比的要求下，整体叶盘轮盘部位的厚度逐渐减薄，压气机叶片与轮盘的刚度接近，叶片表面负荷越来越大，盘片耦合振动更加突出。薄壁宽弦叶片一般具有弦向弯曲振型，在振动应力作用下弦向中间较易出现疲劳裂纹。在理想情况下，通常将整体叶盘设计为谐调周期结构。制造误差、材料分散性及运行磨损往往引起非主动的叶盘结构失谐。叶盘失谐引起的振动响应局部化和模态振型局部化，激励及振型不能均匀传递，振动能量集中在少数叶片上，使其振幅大大增加并承受较高的交变应力，引起叶片部位高周疲劳失效。02整体叶盘抗疲劳强化技术

（1）振动光饰。振动光饰通过磨料对整体叶盘的叶片部位进行刻划、滚压和微量磨削，减小或去除叶片加工刀痕，获得均匀规整的表面纹理，使叶片表面粗糙度值达到Ra=0.4μm或更小，如图1所示。整体叶盘一般采用无中心岛式振动光饰设备，该设备采用平底筒形加工容器，便于整体叶盘装夹固定，通过振动电动机和偏心块使磨料作三维螺旋运动，确保叶片部位在去除量小且均匀的情况下获得较低的表面粗糙度值。振动光饰的表面质量主要取决于合理匹配的加工设备、磨料介质、研磨剂及工艺参数，其中工艺参数包括振幅、振动频率、光饰时间、磨液喷洒周期及流量等。振动光饰可将表面粗糙度值降低1～2个等级，通过减小加工刀痕深度和锐度来降低应力集中程度，在表层引入残余压应力，并使表层显微硬度有所提高，从而提高叶片疲劳强度。振动光饰在表层引入的残余压应力场较浅且残余压应力数值较低，降低和均化原有残余应力的作用有限。（2）喷丸强化。喷丸可使整体叶盘的表层形成塑性形变细化组织，提高晶格畸变程度及位错密度，抑制或延缓疲劳裂纹的萌生及扩展。喷丸引入的残余压应力可削减裂纹处的拉应力水平，增强疲劳裂纹闭合效应，提高疲劳裂纹张开的临界应力水平，使疲劳源位置向内部转移，材料内部疲劳强度约为表面疲劳强度的1.35倍，从而提高整体叶盘疲劳抗力。喷丸强化效果受弹丸尺寸及硬度、弹丸速度及流量、喷射角度及时间、喷嘴至强化表面距离等因素影响。根据整体叶盘材料、强化部位、载荷水平、工作环境等因素，确定喷丸强度和弹丸种类。整体叶盘可分轮盘和叶片两类喷丸区域。通常情况下，轮盘区域选择钢丸，叶片区域选择陶瓷丸或玻璃丸。采用Almen试片或模拟件进行试验，选择适当的喷丸工艺参数，从而使正式件的轮盘和叶片获得规定的喷丸强度和表面覆盖率。数控喷丸设备常为单喷嘴结构，罗罗公司的喷丸设备采用了图2所示的卡钳式喷嘴结构，可对叶片盆背进行对喷，控制叶片变形。组织强化和应力强化为喷丸强化因素，而表面粗糙度值增大及表层损伤为喷丸弱化因素。受两种因素的综合作用，材料疲劳强度与喷丸强度之间存在非单调变化规律，在最佳喷丸强度范围内才能获得最好的抗疲劳性能。过度喷丸会使表面粗糙度值增大并产生微裂纹等损伤性缺陷，降低改善抗疲劳性能的效果。二次喷丸或喷丸后进行振动光饰可削弱表面粗糙度值增大带来的不利影响。（3）激光冲击强化。激光冲击强化通过强激光诱导的等离子体冲击波对整体叶盘的叶片进行强化，如图3所示，使强化部位的表层发生高应变率的塑性变形，改变材料表层微观组织，细化晶粒并产生高密度位错，形成高幅值残余压应力层，提高滑移形变抗力，增加裂纹扩展晶界阻力，抑制疲劳裂纹的萌生和扩展。激光冲击强化效果的影响因素主要有激光参数、透明约束层、能量吸收层、材料、搭接率以及冲击次数等，其中激光参数包括脉冲能量、脉宽及光斑大小。研究表明，当冲击波压力是材料Hugoniot弹性极限的2.0～2.5倍时，冲击强化性能较好。在激光冲击强化时，可根据材料的Hugoniot弹性极限，依次确定冲击波压力和激光功率密度，再选定激光参数。与喷丸相比，激光冲击强化能形成深度更深、数值更大的残余压应力层，提升高温下残余压应力的稳定性，有效维持强化位置的表面粗糙度和尺寸精度。整体叶盘的叶片前后缘及叶片隐蔽面是制约整体叶盘强化效果及效率的关键部位，可通过专用软件导入叶盘数模文件进行路径规划与干涉分析。激光冲击强化需要大量试验支撑，在确保叶片型面尺寸、叶型轮廓度及表面粗糙度满足设计要求且无热损伤的前提下，提高整体叶盘疲劳强度，延长疲劳寿命。（4）冷挤压强化。整体叶盘连接孔的冷挤压强化技术处于试验验证和小范围应用阶段。整体叶盘连接孔通常位于较薄的安装边，具有较高的尺寸精度和位置精度，要求孔挤压强化在不引起整体叶盘变形的情况下提高抗疲劳性能。孔挤压强化通过挤压工具对整体叶盘连接孔的孔壁进行连续、缓慢、均匀的挤压，可在孔壁周围产生塑性变形层，引起形变强化，形成一定的残余压应力，改善孔壁表面质量，降低孔边应力集中和潜在微裂纹带来的不利影响，延长整体叶盘连接孔的疲劳寿命，如图4所示。心棒挤压强化和开缝衬套挤压强化是广泛应用的孔挤压强化方法，一般要求构件厚度≥3mm，孔边距比≥2。孔挤压强化效果受挤压工具、挤压工艺参数和被挤压材料等因素限制。挤压量和摩擦因数是孔挤压强化的重要工艺参数。挤压量对孔边压应力水平起决定性作用，选择最佳的挤压量对孔挤压强化尤为重要。过小的挤压量对孔的挤压强化作用有限，产生的疲劳增益不明显；过大的挤压量需要高挤压力，引起孔壁损伤和结构变形。优质的润滑剂可产生较小的摩擦系数，大幅降低挤压载荷，最大程度降低孔壁损伤。针对孔挤压强化的应力测试和有限元分析表明，挤压强化后孔边附近的残余压应力沿厚度方向分布不均匀，挤入端较小，中间部位最大；受挤压后经疲劳试验，孔裂纹多产生于孔壁边缘。在整体叶盘孔挤压强化技术研究和应用过程中，应注重分析孔口的应力分布和疲劳寿命。在心棒挤压强化前，选择合适的倒角尺寸对初孔进行倒角，会使孔壁得到更好的残余压应力分布，对提高孔的抗疲劳性能更加有益。03结语通过对整体叶盘疲劳失效特性的分析可知，整体叶盘在服役过程中不可避免地产生疲劳损伤。在材料性能及结构尺寸