2 在压气机整体叶盘转子上的应用与发展

在配装F-22战斗机的F119发动机的工程管理研制中，PW公司发现第4级高压压气机整体叶盘转子存在抗外来物损伤容限裕度明显不足的问题。要想满足F-22 战斗机的性能要求，F119发动机第4级高压压气机整体叶盘转子的门限值应力强度因子需要提高3倍。如果进行重新设计，估计需要1000万美元以上的费用，并且需要较长的时间。这不但增加F119发动机的研制费用，更严重的是影响了F-22 战斗机的研制进度。为此，PW公司决定尝试采用激光冲击强化技术处理这一费用昂贵且结构复杂的整体叶盘转子，以提高其抗外来物损伤容限的裕度。

由于激光冲击强化技术最初是针对处理单个叶片开发的，这就需要实现由处理单个叶片扩展到处理复杂结构的整体叶盘转子的转变。首先，LSPT公司与PW公司一起确定新的工艺参数，疲劳试验与生产质量保证程序；开发适用于整体叶盘处理的透明的和不透明的涂覆层。2003年3月，LSPT公司采用人工涂覆不透明涂覆层的方法，开始对F119发动机的第4级高压压气机整体叶盘进行激光冲击强化处理[6,11]。同年，美国空军和PW 公司为F-22战斗机建立了价值2亿美元的激光冲击强化生产线。由于在LSPT公司的自动RapidCoater™涂层涂敷机投入使用前要采用胶带法完成定型试验，最初的生产还是采用胶带涂覆法。到2005年2月底，LSPT公司已经向PW公司交付了经过激光冲击强化的96个F119发动机的第4级高压压气机整体叶盘。经过激光冲击处理后，有微裂纹与疲劳强度不够的受损伤叶片的疲劳强度为413.7MPa，完全满足379MPa的设计要求。经过激光冲击处理的叶片楔形根部的微动疲劳寿命至少延长25倍以上。

由于整体叶盘的几何形状复杂，采用胶带涂覆法进行激光冲击强化，不但耗时长，而且劳动强度大。为此，需要进行以下一些改进工作：

（1）改进现有的RapidCoater™系统，采用延长的喷嘴，以方便进入到整体叶盘紧密排列的叶片之间，以此法来处理像整体叶盘这样结构复杂的部件。

（2）在整体叶盘激光冲击强化间增加质量控制监控器，并集成到整体叶盘冲击强化间内；安置自动的激光束能量校准系统。

（3）为整体叶盘改进应用于RapidCoater™系统的涂覆层。

（4）建立满足PW 公司质量系统要求的装置与处理程序。

采用RapidCoater™系统，在目前的激光重复率（0.25 Hz）下使生产效率提高2~3倍；采用在ManTech研究计划下开发的提高激光重复率1~2 倍的技术，使生产效率进一步提高3倍左右；通过降低维护费用、缩短停工时间和提高工艺效率，降低了激光冲击强化的费用。这样，基本实现了使F119发动机第4级高压压气机整体叶盘激光强化时间由原来的40h以上缩短到原来的1/9~1/6和费用至少降低50%~70%的目标。

2004年，激光冲击强化技术大量用于F119-PW-100发动机第4#p#分页标题#e#级高压压气机整体叶盘等部件的生产，还扩展应用到F119发动机的其他几级高压压气机转子上，也应用在联合攻击战斗机的JSF120和JSF119发动机上。到2009年，75%的F119发动机高压压气机整体叶盘都经过了激光冲击处理。这一技术的应用使F-22战斗机与F119发动机的维护检查频率降低30%~50%，单位飞行费用降低，任务准备等级明显提高。

近期，在美国NAV AIR第二阶段的SBIR研究项目下，LSPT公司研究了采用激光冲击强化处理像叶片榫槽这样的激光难以进入的区域，以改进其微动磨损与微动疲劳特性[4]。具体方法是减小激光束的尺寸、采用相似动力密度的激光产生深的压缩应力，通过关节杆将激光束交付到处理枪。在普渡大学的疲劳试验室采用Ti6Al4V叶片试样对航空发动机叶片与榫槽间微动磨损与微动疲劳情况进行了模拟。结果表明，激光冲击强化对表面应力和残余应力深度都产生了很好的影响，使疲劳寿命延长20~25倍。其收益包括降低激光系统的费用、减小激光系统的占地面积和提高抗微动疲劳的能力。

结束语

随着技术的不断成熟和效率的迅速提高，激光冲击强化将更广泛地应用在军用战斗机/ 轰炸机/ 直升机发动机与商用客机发动机风扇与压气机叶片上，在使其抗外物损伤能力大大提高和高循环疲劳寿命明显延长的同时，也能够使其成本降低、污染降低和生产效率提高。另外，激光冲击强化正在逐步扩展到CH-47传输齿轮、M-1坦克发动机、 KC-135飞机结构件、大型汽轮机、水轮机叶片以及石油管道、汽车关键零部件等领域。因而，其不仅现在是，而且将来很长一段时间内仍然是大有发展潜力的热门技术。