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防止 CFM56 航空发动机的微动疲劳

来源:荣格国际金属加工商情 发布时间:2019-08-27 930
金属加工金属成型机床其他金属材料测量及控制系统模具及冲模表面处理金属切削机床 技术前沿
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CFM56 系列飞机发动机为全球超过 13,400 架商用和军用飞机提供动力。
CFM56系列飞机发动机为全球超过13,400架商用和军用飞机提供动力。然而,CFM56的历史维护数据显示出在第一级高压压缩机(HPC)叶片的燕尾边缘容易出现微动引起的微裂纹,这隐藏着重大的安全问题。
 
在历史上,防止燕尾榫中的微动疲劳需要三个步骤——热喷涂,喷丸处理和干膜润滑剂。但是,干润滑剂在使用过程中会磨损,同时,微动引起的裂缝可以快速穿透喷丸(约0.005")提供的浅层保护,需要反复强化以保持有效。如果检查发现叶片有疲劳损坏,整套发动机都需要更换。
 
除了检查和更换叶片的人工成本之外,频繁的检查还需要大量的停机时间。发动机的最终用户寻求维护,修理和大修(MRO)成本降低解决方案。CFM56发动机至少在几万架飞机中都有安装,停飞检查或维修可能会对整个行业产生重大影响。
 
低塑性抛光(LPB)是一种处理金属或合金基零件的替代方法,它提供了一种解决方案。不同于喷丸强化和激光冲击强化,LPB将有力的剩余压力引入到零件中以增强疲劳强度并减轻微动。通过产生高强度压缩层,LPB防止疲劳裂纹不断加深。
 
LPB不是用激光束冲击零件表面,而是在负载下将工具滚过零件表面。当工具在零件表面上滚动时,表面产生张力和弹性,并保持压力应力。LPB的压力应力深度约为1mm。
 
在发动机盘中鸠尾榫处的叶片(图片来源:Lambda Technologies Group)
 
应用
 
LPB是一种CNC机床附件,因此深度和大小是针对每种应用而设计的,通过使用CNC铣床、车床或机器人在标准机加工车间进行。该应用严格闭环,伺服调节,质量控制超过六西格玛。抛光力和所产生的压力应力可以在部件的每个点上实时调节,以实现疲劳性能的最佳压力应力分布。
 
检测结果
 
在指定的工程代表(DER)监督下进行的联邦航空管理局(FAA)测试表明,经LPB处理后的零件疲劳寿命至少提高了10倍。与典型的微动损伤相比,LPB处理后的CFM56叶片鸠尾波疲劳测试的寿命延长了30倍,模拟损伤更深。
 
LPB现在是美国联邦航空局认可的发动机和结构飞机部件修理和改造工艺。由于LPB不需要对零件的材料或现有设计进行任何更改,因此LPB应用程序属于FAA认可的原始组件更改,而不属于零件制造机构(PMA)。经过处理的零件仍然是原始设备制造商(OEM)组件,其增强功能与涂层、混合或喷丸强化非常相似。
 
LPB只需要一个处理周期,因此可以快速处理已投入使用的CFM56叶片,同时继续处理新安装的叶片。将LPB应用于CFM56-7叶片可以实现更长时间、更安全的操作,能够显著降低运营成本,并在不改变材料或部件设计的情况下提高整体性能。
 
LPB减少了冷加工
 
喷丸施加压力应力,通过喷丸介质随机重复撞击零件表面,容易产生凹坑。表面的反复变形产生过多的冷加工——通常超过50%,使有益的压力应力在使用中更容易受到热和机械松弛的影响。然而,LPB仅产生最小的变形,刚好足以实现所需的压缩。即使在喷丸强化引起的压缩松弛的较高温度下,LPB处理的压缩也将保持稳定。
 
CFM56中典型的微动引起的模式II剪切裂纹浅于0.005"。在叶片燕尾面与转子盘柱面之间的接触边缘处形成剪切裂缝。这些裂缝过渡到模式I疲劳裂纹,其快速变化来源于正常发动机运行期间的振动应力。当压力应力深于0.025"时,可以完全缓解I型裂纹扩展。LPB产生的压缩压力应力大于0.040",这将完全阻止微动引发的疲劳裂纹。当应用于具有现有微动疲劳损伤的叶片时,LPB提供了超过10倍的新叶片寿命改进。
 
CFM 65 发动机(图片来源:Lambda Technologies Group)
 

 

□ 本文译自 Aerospace Manufacturing and Design 杂志

作者:N. Jayaraman 博士

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