航空发动机钛合金叶片喷丸强化残余应力研究
根据有关统计，大约有80%以上的结构强度破坏是由疲劳破坏造成的。而航空发动机零件由疲劳破坏造成的失效所占比例更大。航空发动机零件失效，大多数因强度失效、磨损失效和腐蚀失效等材料表面不能胜任苛刻工作条件所致，而且大多数发生在零件的表面和近表面，或者先从表面开始向内部扩散所致，进而显著影响发动机的性能与寿命。对零部件进行适度的表面强化或硬化，能阻止已有裂纹的扩展和新裂纹的产生，从而提高疲劳强度。
喷丸强化是目前航空工业中采用的一种用于改善零件的疲劳性能和提高应力腐蚀开裂抗力的表面冷加工方法，操作简单、成本低廉。喷丸强化利用高速弹丸流对金属材料表面进行冲击，使其表面及近表面发生塑性变形，出现应变硬化、组织结构和残余应力的变化，可以改善零件的表面完整性，提高零件在室温下和疲劳断裂抗力和应力腐蚀开裂抗力。
本文基于残余应力数值的变化，来判断喷丸强化后残余应力场以及使用后的残余应力衰减规律进行研究分析，掌握其残余应力分布状况及衰减规律，对于确保钛合金叶片的安全性和可靠性有着非常重要的意义，并最终达到有效预测叶片剩余寿命的目的。
本次研究使用某型发动机风扇叶片和压气机叶片，叶片测试位置为叶身部位。使用X 射线衍射技术测试残余应力，分别测试了风扇叶片和压气机叶片喷丸后表面残余应力、喷丸后深度方向残余应力分布、使用 300 h 和 600 h 后的表面残余应力。
图1和图2为风扇叶片和压气机叶片喷丸后表面残余应力场的分布。通过电解抛光对喷丸叶片进行剥层处理，测试深度残余应力，图3为风扇叶片和压气机叶片喷丸后残余应力场沿层深的分布规律。
由图 1 和图 2 可以看出，通过喷丸工艺在叶片表面形成了残余压应力场，可以有效提高叶片的抗疲劳性能。通过统计分析，喷丸后风扇叶片残余应力的90% 左右分布在-600 ～ -800 MPa，残余应力均值约为-682 MPa; 喷丸后压气机叶片残余应力的 90% 左右分布在-500 ～ -700 MPa，残余应力均值约为-603MPa。本文引入分布标准偏差，用来衡量数据分布的分散程度[16]，标准偏差可通过下式计算:
式中: S 为标准偏差，n 为测试测试点，i = 1 ～ n，xi为测试值，为 n 次测试的平均值。
通过计算可以得到风扇叶片残余应力测试的标准偏差为 58. 2 MPa，相对标准偏差约为 8. 5% ; 压气机叶片残余应力测试的标准偏差为 64. 2 MPa，相对标准偏差约为10. 6% 。由此表明，喷丸后叶片试样表面残余应力分布较为均匀，风扇叶片较压气机叶片更为均匀，这是因为压气机叶片相比风扇叶片而言形状尺寸较小，而叶型表面曲率较大，影响了喷丸效果。
由图 3 可以看出，喷丸后风扇叶片和压气机叶片的表面残余应力约为-610 MPa; 在次表面层残余压应力随深度的增加而增大，在距离表面一定距离处存在一个最大值，最大残余应力分别为-739 MPa 和-683MPa，此处的深度分别为 11 μm 和 13 μm; 随后残余应力随着深度的增加而逐渐减小，残余应力场深度约为50 μm。叶片中残余压应力的存在可以阻碍材料疲劳裂纹的萌生和扩展，因此可以有效的提高其疲劳性能。
图 4 和图 5 为风扇叶片和压气机叶片使用 300 h 和600 h 后的表面残余应力场的分布。可以看出，风扇叶片使用 300 h 后应力分布在-460 ～ -720 MPa; 使用 600 h 后应力分布在-430 ～ -700 MPa; 压气机叶片使用 300 h 后应力分布在-470 ～ -670 MPa，使用 600h 后应力分布在-360 ～ -620 MPa。
根据测试结果，采用平均压应力、最小压应力、最大压应力来研究分析叶片喷丸后和使用后应力衰减规律，如图 6 所示。与喷丸后的残余应力相比，叶片使用 300 h 后和 600 h 后平均压应力、最小压应力、最大压应力都有不同程度的衰减。
对风扇叶片而言，与喷丸后残余应力相比，使用300h后平均压应力衰减了60MPa，最小压应力衰减了100MPa，最大压应力衰减了90MPa，最大衰减量占喷丸残余应力的15%左右;使用600h后平均压应力衰减了100MPa，最小压应力衰减了130MPa，最大压应力衰减了110MPa，最大衰减量占喷丸残余应力的20%左右。
对压气机叶片而言，与喷丸后残余应力相比，使用300h后平均压应力衰减了40MPa，最小压应力衰减很少，最大压应力衰减了70MPa，最大衰减量占喷丸残余应力的12%左右;使用600h后平均压应力衰减了70MPa，最小压应力衰减了120MPa，最大压应力衰减了115MPa，最大衰减量占喷丸残余应力的20%左右。可以看出随着发动机叶片使用时间的增加，残余压应力衰减量逐渐增加。
1) 喷丸后钛合金叶片表面存在较大的残余压应力且分布较为均匀。较大的残余压应力能提高叶片的抗疲劳性能，增加叶片的使用寿命。
2) 喷丸后钛合金叶片残余压应力随层深的增加先增大后减小，残余应力场深度约为50μm。
3)与喷丸后的残余应力相比，使用后的钛合金叶片残余应力有衰减趋势，而且随着叶片使用时间的增加，残余压应力衰减量逐渐增加。
