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金属复杂结构件激光冲击强化形性协同控制关键技术及应用
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  • 公布年份:
    2018
  • 中图分类:
    V263
  • 关键词:
  • 成果简介:
    航空发动机是飞机的“心脏”,已列入国家重大专项。随着发动机推重比等性能指标的提高,整体叶盘等复杂件的新结构、新材料不断出现,机械喷丸等传统表面强化技术难以满足其高温、高压、高载荷和高速旋转环境下长寿命安全服役的需求,迫切需要新的表面强化技术。激光冲击强化能显著提高金属疲劳寿命,是国际研究热点。整体叶盘结构复杂、叶片薄、变厚度、通道窄、扭角大,给激光冲击强化形性协同控制带了极大挑战,其面临三大国际难题:复杂结构的工艺性差、变厚度薄壁的变形大、髙阈值激光束整形与能量稳定难。 该项目针对上述难题,在国家科技攻关等项目资助下,经过二十多年研究,形成了具有原创性的激光冲击强化形性协同控制理论与技术: (1)建立了激光斜冲击能量补偿理论和曲率、厚度与残余应力场的关系模型,发明了复杂空间结构隐蔽面的激光冲击强化方法和稳定水膜涂敷技术.解决了强化后叶盘叶片形状尺寸一致性差的难题。强化后钛合金风扇整体叶盘叶片扭转变形量≤5.1'、整体叶盘的疲劳寿命提高2倍以上; (2)揭示了零件强度与塑性匹配的表层梯度纳米结构形成机制,发明了变厚度复杂曲面的方形光斑激光多层交错均匀冲击强化技术,解决了塑性变形大、表面粗糙度差的难题,实现了强化与变形的协同控制。强化后钛合金叶片位置度≤φ0.272 mm、粗糙度≤SRa0.4μm,叶片疲劳寿命提高5倍以上; (3)揭示了热效应再制造/焊接薄壁复杂件激光冲击残余应力转化机制,提出了基于应力分布重构的反向变形控形方法,发明了动态时效激光冲击再制造技术,实现了修复区域残余应力、微观组织和形状精度的主动调控,解决了复杂结构件修复后易产生裂纹和变形的难题; (4)发明了五分透镜高阈值光束整形方法,突破了大能量、短脉冲、髙重频激光器热平衡拄制技术,解决了热损伤和能量稳定性差的难题,实现了无扩束高阈值激光束的方形光斑调制。研制的YAG激光器能量稳定度均方根<0.5%。 建成了我国第一条整体叶盘激光冲击强化生产线。项目授权发明专利31件,其中美国专利丨件,软件著作权3项;形成国家航空行业标准(HB/Z)3项;出版专著2部,发表主要论文35篇,加拿大工程院Medraj院士、中国科学院李应红院士等在其发表的论文中高度评价了该项目理论成果。经同行专家鉴定:“在我国首次实现了整体叶盘等复杂型号产品的激光冲击强化,总体技术水平达到国际先进水平”。中国航发沈阳发动机设计所评价:“制定的航空工业标准已经成为我们激光冲击强化设计的依据”。 项目成果解决了我国航空发动机长寿命制造的关键难题之一,显著推动了行业科技进步,成功应用于航空发动机和飞机的国家重大工程中,中国航发沈阳黎明等单位应用后,近三年新增利润2.2亿元、新增销售5.89亿元,取得了显著的国防效益、经济效益和社会效益。项目成果在燃气轮机、核电、再制造等其他领域发展前景广阔,具有巨大的经济效益和社会效益。
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