航空领域滚压强化技术的应用进展研究

　　摘要：借助滚压工艺技术，可以在数控以及普通机床当中完成，并没有较高的成本，并且环保无污染，效率非常理想，有着良好的兼容性，对当前航空针对构件性能提出的要求给予了满足。本文针对航空领域滚压强化技术的应用进展给出了详细分析。

　　关键词：航空领域;滚压强化技术;应用进展

　　滚压强化，需要借助金属在常温状态下出现的冷缩性特征，利用滚压工具，将一定的压力施加在构件表面，这样构件表层的金属便会有弹塑性变形出现，进而使表层组织冷作硬化，将表面的微观结构进行改变，将残余压应力引入其中，实现表面粗糙度降低的效果，也会将构件当中的抗HCF(高周疲劳)、抗SCC(应力腐蚀开裂)抗耐磨以及抗腐蚀性的性能进行改变。

　　1、叶片表面处理

　　HCF以及异物损伤属于涡轮叶片、发动机风扇叶片以及涡轮叶片发生失效的主要形式，其中针对叶片滚压实施强化的方式有多种类型。Prevey等学者在其研究当中发现，发动机在服役的情况下，低塑性滚光技术对于Ti6Al4V风扇叶片疲劳极限进行的处理，会由之前的655MPa，增加到790MPa，处理过程中模拟异物损伤缺陷，具体的数据为深60°V型的0.5mm缺陷，并且风扇叶片发生疲劳极限由之前的240MPa，增加到了655MPa，对风扇叶片疲劳缺陷，深度为61.25mm的缺陷处理，由之前的206MPa，增加到了620MPa。在材料疲劳极限之上产生的应力作用环境下，不同的异物损伤缺陷深度，都有所不同。没有经过处理前提下，使用风扇叶片的应用寿命，并没有达到没有异物损伤缺陷以及存在异物损伤缺陷，但利用低塑性滚光技术进行处理之后的风扇叶片寿命的1/10，这便说明借助低塑性滚光技术对其进行处理，可以将Ti6Al4V，制叶片产生的抗疲劳性能给予相应的提升，进而使异物损伤缺陷叶片存在的疲劳程度有一定的恢复[1]。

　　2、处理叶片楔形榫槽

　　微动发生的磨损疲劳，属于航空涡轮发动机叶片楔形榫头以及配合盘榫出现失效的重要形式，当前使用的一般方式方式为，将Cu-Ni-In涂层在榫槽表面制作，或者借助MoS2固体表面润滑膜，这样可以使配合面发生的摩擦系数有所降低，进而使微动损伤进一步减小。但这项技术有一定的缺点，为榫槽抗疲劳性能会受到润滑膜完整性以及涂层产生影响，所以实施连续摩擦操作，会将涂层以及润滑膜去除，暴露基体，进而出现微动损伤。针对楔形榫槽滚压进行处理的方式共有两种，如图一所示。Prevey学者在研究当中。借助低塑性滚光技术，在压气机叶片榫槽当中，将残余压应力区进行引入，其深度为1.6mm，环境为室温，频率为30Hz，应力比为0.5。其中榫槽的位置模拟微动裂纹，其缺口为0.5mm深，在强化处理试样之后，使得疲劳极限达到了620MPa，与没有经过处理的缺口试样260MPa帕相比，有着明显的提升。

　　当缺口的深度为0.76mm以及1.00mm时，将疲劳极限经过强化处理之后，可以使其到达413MPa以及310MPa。设定滚压将残余压引入之后，认定应力场的深度超过了缺口的深度，是提高疲劳性能的关键性因素，其中需要重点注意的是残余压应力，并不会影响榫槽接触面，而产生循环剪应力[2]。但是循环剪应力，会对微动裂纹的产生有一定的促进，所以借助滚压处理，不会将微动损伤进行消除。但在微动裂纹裂尖当中，存在的残余压应力，可以对上述微动微裂纹的进一步拓展进行阻止，或者起到减缓的效果，有益于使微动疲劳有所缓解。此外，如果微动疲劳产生的裂纹，没有超过0.13mm的深度，那么借助低塑性滚光技术开展处理，对其进行缓解会非常容易。当前，对于风扇叶片以及压气机叶片压力面榫槽配合盘榫槽等一系列的复杂结构接触区域进行强化处理，已经成功开发出了专业的工具。

　　3、处理起落架

　　飞机的各个部件当中，最重要的受力部件便是起落架，对起落架提出的基本要求便是，有非常高的可靠性能和较长的使用寿命。其中SCC、腐蚀疲劳以及异物损伤，是使起落架组件发生失效的关键形式。当前飞机对于起落架进行应用时关键的承力构件包括：轴轮、活塞杆以及外筒等，大部分会对超高强度的钢进行应用，例如：300M以及AF1410。这些钢针对SCC、腐蚀疲劳以及应力集中产生的敏感性非常强，为了将因为表面粗糙度出现的应力集中问题给予降低，在其表面需要满足的粗糙度要求，而应力复杂部位提出的要求。

　　但是在不当的加工控制条件当中，很容易使超高强钢表层出现微裂纹的情况，为了将SCC以及腐蚀有效降低，起落架系统在目前使用的工艺标准为镀铬以及镀镉。但该项工艺对环境会有一定的危害，借助滚压表面强化功能，可以使表面的粗糙度有所降低，使局部应力集中的问题有所减小，且在构件表层会将残余压应力引入，从而将抗SCC、抗异物损伤以及腐蚀疲劳的性能提升，不会对环境产生任何的污染。

　　4、处理搅拌摩擦焊焊缝

　　搅拌摩擦焊焊接，是对于异种金属实施的焊接，并不会引发较大的变形，并且产生的冶金性能非常优异，可进一步在航空连接结构当中应用，使得机械连接孔的使用有所减小。但是，在具体搅拌时会因为热应变梯度的复杂性以及存在的塑性应变梯度，使得焊接区有残余拉应力出现。之后在热影响区域的边界当中达到最大的应力值，这样便会将焊缝的抗SCC、抗腐蚀性性能等有所降低、此外，搅拌摩擦焊焊缝区的表面有着较大的粗糙度，与航空提出的要求性能并不相符，需要开展相应的处理。其中，借助低塑性滚光技术，对铝合金搅拌摩擦焊焊缝进行处理，不但将产生的表面残余拉应力进行了消除，还将残余应力有所引入。

　　机械论文投稿刊物：《航空制造技术》(半月刊)创刊于1958年，由北京航空制造工程研究所主办。本刊以先进性、实用性见长。在航空、航天、军工领域及机床、模具、汽车、船舶等领域享有较高声誉。是富有影响力的刊物。主要栏目：专稿、综述、科技成果、学术论文、新工艺新技术新设备、技术改造技术革新、生产组织与管理、简讯与工艺动态、装备市场指南等。

　　5、结束语：

　　当前，对于低塑性滚光技术的应用，已经获得了越来越多的认可，有效将构件表面的微观结构改变，将残余压应力引入其中，实现表面粗糙度降低的效果，并进一步强化了抗HCF抗SCC、抗耐磨以及抗腐蚀性的性能。

　　参考文献：

　　[1]王燕礼,朱有利,杨嘉勤.滚压强化技术及在航空领域研究应用进展[J].航空制造技术,2018,61(5):75-83.

　　[2]赵波,姜燕,别文博.超声滚压技术在表面强化中的研究与应用进展[J].航空学报,2020.

　　[3]孔志营.齿轮齿面超声滚压强化技术研究[D].大连理工大学,2014.

　　作者：赵赛男

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