航空构件抗疲劳制造工艺优化方案

4年前浏览8795

大量的试验研究和疲劳破坏事故表明，90%以上的结构强度破坏问题都是由疲劳失效引起的。

疲劳是一个非常复杂的过程，疲劳寿命受许多因素的影响，包括表面粗糙度、残余应力、加工硬化、表面形貌、表面缺陷、金相组织、棱边质量等多种因素。其中，应力是影响构件疲劳寿命与疲劳强度的关键健康性指标，“无应力集中”的概念已经成为抗疲劳技术的重要理论基础。

本文以抑制构件整体应力水平从而避免应力集中为出发点，从残余应力控制的角度，提出了利用频谱谐波定位时效优化原有抗疲劳制造工艺的技术方案，继而运用X射线衍射残余应力检测方法搭配电解抛光技术，对“频谱谐波定位时效+喷丸强化”的效果进行对比评估，间接验证了频谱谐波定位时效与残余应力检测两项技术在抗疲劳制造领域的应用价值与前景。

1. 残余应力与抗疲劳制造：

众所周知，构件工况下承受的应力是残余应力与外部载荷应力的合力，在表面形状、材料、组织、温度不连续，或塑性变形不均匀的地方会出现应力局部增大的现象，这种现象叫做应力集中。其中，表面残余应力由材料、加工状态、载荷历程决定，外部载荷应力受几何形状、工况等因素影响较大。

残余应力对疲劳强度的影响因条件和环境的不同而改变。它与残余应力分布规律和量值、材料的弹性性能、外来作用的状态等因素有关。当我们研究残余应力对疲劳的影响时既要考虑宏观残余应力的影响，也要考虑微观残余应力的影响。

可以认为，宏观残余应力在初期暂时与作用的交变应叠加，改变��力水平，较大的影响着疲劳寿命。而由微观组织不均匀性所造成的残余应力，在应力交变过程中，会使微观区域内的塑性变形积累，使该部分产生应力集中，并使组织内发生裂变。这些影响比起对静强度的影响来说，将更为重要。

为了获得理想的表面压应力分布，提高零件抗疲劳寿命，多采用滚压、挤压、喷丸等机械方式产生冷变形及硬化层，或者采用高能束处理的加工方式。工业界广泛应用的机械喷丸(Shot Peening，简称喷丸)强化工艺是一种有效的表面微动防护手段，它通过对零件表层实施冲击与冷挤压而使表层冷作硬化和产生残余压应力。

某航空发动机制造厂开展了利用振动光饰和光整工艺改善其表面残余应力等技术状态的实践探索。在光饰设备上采用120#专用磨料，对盘件进行了光饰加工，其作用效果明显，所有测点均表现为压应力，其中5号位置残余应力由700MPa拉应力转变为-400MPa压应力，变化幅度接近1100MPa；2号位置由-200MPa变化到-900MPa，压应力状态不变，变化幅度超过700MPa，可见光饰加工可以有效引入不低于500MPa的压应力，且此应力变化幅值足以改善大部分测点的应力状态。

另外，光饰前各检测位置的残余应力分布差异较大，最大应力差值达到1000MPa，应力分布趋势呈现“W”型；光饰加工后虽然明显改变了各点的残余应力状态，但各点应力差值仍然很大（接近1000MPa），且基本延续了光饰加工前的“W”型应力分布规律。可见，光饰加工引入了一定幅值的压应力变化量，但并未改变原有初始残余应力与机加残余应力等造成的应力不均问题，且该问题仍然会对“抗疲劳”效果产生不利影响。

2. 表面残余应力的成因：

工件表面残余应力是复杂因素综合影响的结果——成型阶段及热处理造成的构件整体初始残余应力、切削加工阶段的挤压作用与切削热在表面硬化层形成的机加应力、抗疲劳表面处理工艺引入的表面压应力，上述三者在构件表面一定深度内的顺序引入与相互耦合，共同作用产生最终的表面残余应力。材料、几何尺寸和加工工艺确定后，上述三种残余应力中，初始残余应力在时间顺序上被最先引入（如图表1），并决定了构件整体的残余应力大小、状态与分布；其次是机加残余应力，它受初始残余应力的影响，决定了构件浅表层残余应力的分布规律（如图表2、3）；最后是抗疲劳表面应力，在终了工序之前在指定区域的浅表面引入压应力状态。

图表 1某铝合金构件毛坯锻造结束后X方向应力云图（左）及中心线上应力曲线（右）

图表 2铝合金表面切削区域的温度场（左）与应力场（右）

图表 3各切削加工阶段切削应力分布规律（铝合金）

3. 抗疲劳制造工艺优化对比实验：

3.1频谱谐波定位时效与热时效的效果对比：

图4为某航空高温合金盘环类构件（粗加工状态），其加工路线为：环轧成型——>热处理——>粗加工——>半精加工^*——>热时效^{# *}——>精加工——>喷丸^*。为了均化和改善喷丸加工前的残余应力分布，有效提高其抗疲劳制造效果，在半精加工后采用频谱谐波定位时效（均化工艺）代替热时效工艺；采用X射线衍射残余应力无损检测方法，采用直接检测的方式对比频谱谐波定位时效与传统热时效工艺对残余应力的均化效果；最终在喷丸完成后，通过逐层剥离检测的方式对定位时效、喷丸工艺就残余应力的综合作用效果进行评估（检测环节为上标“*”处）。

图表 4航空铝合金构件半精加工件（左）及对应的残余应力云图（右）

图4所示是某航空高温合金材料经过成型制造、热处理和半精加工阶段的切削后的残余应力。由于受到初始残余应力与切削残余应力的影响，半精加工后构件表面的残余应力既有拉应力（暖色区域）也有压应力（冷色区域），平面上最大主应力与最小主应力的应力差超过500MPa，且分布极为不均匀——45°、120°、270°附近色阶变化明显，此区域的应力梯度较大。上述拉应力有助于裂纹的萌生并加速其扩展（如图5），不利于构件的疲劳强度及寿命；较大的应力梯度与不均匀的残余应力分布一方面有可能与工况下的应力耦合，造成应力集中，另一方面，该残余应力将与后续抗疲劳加工方法引入的压应力叠加，在成品上仍然表现出不均匀性，影响最终的抗疲劳效果。

为了解决上述问题，在半精加工完成后进行传统热时效与频谱谐波定位时效的对比试验，主要目的是评价两种时效工艺对残余应力的均化效果。通过X射线衍射法检测分别对经过热时效和频谱谐波定位时效处理的一个构件进行残余应力检测，并绘制为以色阶代表残余应力状态与幅值的应力云图（如下图）。

图表 5频谱谐波定位时效处理后盘环构件表面应力分布

图表 6热时效处理后盘环构件表面应力分布

在对比试验中可以得出如下结论：

·热时效构件处理前后的残余应力下降率（平均）为48%，频谱谐波定位时效为35%，因此，单就残余应力幅值的抑制效果来评价，传统热时效更有优势；

·热时效与频谱谐波定位时效的残余应力均化度（整体）分别为43%和49%，两种时效工艺对构件整体残余应力的均化作用效果接近，频谱谐波定位时效略占优势；

·仔细观察工艺对比构件失效后的应力云图，可以发现频谱谐波定位时效工艺构件沿径向和周向的应力分布更为平缓均匀，没有明显的色差（应力梯度）。但热时效工艺构件继承了在45度与270度附近的应力梯度，造成局部的应力不均匀。

在本次试验对比中，相比于传统的热时效工艺，频谱谐波定位时效更能达到残余应力的均化效果，有助于后续的抗疲劳加工工艺。

3.2 喷丸强化效果及残余应力评价

喷丸强化工艺可以在材料表面引入一定幅值和深度的压应力，一般在构件加工过程临近结束前实施，可以有效改善表面完整性，提高疲劳寿命与强度。由于喷丸强化对金属构件的作用厚度一般在零至数百微米深度，为了检测这一范围内不同深度的残余应力，从而详尽勾勒三维残余应力分布规律。采用电解抛光方式对表面材料进行无应力的逐层剥离（单次剥离深度25～50um），在此过程中使用X射线衍射法（检测深度<10um），对不同深度残余应力进行检测。