2 在壓氣機整體葉盤轉子上的應用與發展

在配裝F-22戰斗機的F119發動機的工程管理研制中，PW公司發現第4級高壓壓氣機整體葉盤轉子存在抗外來物損傷容限裕度明顯不足的問題。要想滿足F-22 戰斗機的性能要求，F119發動機第4級高壓壓氣機整體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1000萬美元以上的費用，并且需要較長的時間。這不但增加F119發動機的研制費用，更嚴重的是影響了F-22 戰斗機的研制進度。為此，PW公司決定嘗試采用激光沖擊強化技術處理這一費用昂貴且結構復雜的整體葉盤轉子，以提高其抗外來物損傷容限的裕度。

由于激光沖擊強化技術最初是針對處理單個葉片開發的，這就需要實現由處理單個葉片擴展到處理復雜結構的整體葉盤轉子的轉變。首先，LSPT公司與PW公司一起確定新的工藝參數，疲勞試驗與生產質量保證程序；開發適用于整體葉盤處理的透明的和不透明的涂覆層。2003年3月，LSPT公司采用人工涂覆不透明涂覆層的方法，開始對F119發動機的第4級高壓壓氣機整體葉盤進行激光沖擊強化處理[6,11]。同年，美國空軍和PW 公司為F-22戰斗機建立了價值2億美元的激光沖擊強化生產線。由于在LSPT公司的自動RapidCoater™涂層涂敷機投入使用前要采用膠帶法完成定型試驗，最初的生產還是采用膠帶涂覆法。到2005年2月底，LSPT公司已經向PW公司交付了經過激光沖擊強化的96個F119發動機的第4級高壓壓氣機整體葉盤。經過激光沖擊處理后，有微裂紋與疲勞強度不夠的受損傷葉片的疲勞強度為413.7MPa，完全滿足379MPa的設計要求。經過激光沖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。

由于整體葉盤的幾何形狀復雜，采用膠帶涂覆法進行激光沖擊強化，不但耗時長，而且勞動強度大。為此，需要進行以下一些改進工作：

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

（2）在整體葉盤激光沖擊強化間增加質量控制監控器，并集成到整體葉盤沖擊強化間內；安置自動的激光束能量校準系統。

（3）為整體葉盤改進應用于RapidCoater™系統的涂覆層。

（4）建立滿足PW 公司質量系統要求的裝置與處理程序。

采用RapidCoater™系統，在目前的激光重復率（0.25 Hz）下使生產效率提高2~3倍；采用在ManTech研究計劃下開發的提高激光重復率1~2 倍的技術，使生產效率進一步提高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，降低了激光沖擊強化的費用。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，激光沖擊強化技術大量用于F119-PW-100發動機第4#p#分頁標題#e#級高壓壓氣機整體葉盤等部件的生產，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斗機的JSF120和JSF119發動機上。到2009年，75%的F119發動機高壓壓氣機整體葉盤都經過了激光沖擊處理。這一技術的應用使F-22戰斗機與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沖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微動疲勞特性[4]。具體方法是減小激光束的尺寸、采用相似動力密度的激光產生深的壓縮應力，通過關節桿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榫槽間微動磨損與微動疲勞情況進行了模擬。結果表明，激光沖擊強化對表面應力和殘余應力深度都產生了很好的影響，使疲勞壽命延長20~25倍。其收益包括降低激光系統的費用、減小激光系統的占地面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，激光沖擊強化將更廣泛地應用在軍用戰斗機/ 轟炸機/ 直升機發動機與商用客機發動機風扇與壓氣機葉片上，在使其抗外物損傷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、污染降低和生產效率提高。另外，激光沖擊強化正在逐步擴展到CH-47傳輸齒輪、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、汽車關鍵零部件等領域。因而，其不僅現在是，而且將來很長一段時間內仍然是大有發展潛力的熱門技術。