航空發動機葉片材料及抗疲勞磨削技術現狀

黃 云 ,李少川 ,肖貴堅*,陳本強,張友棟,賀 毅,宋康康

（1.重慶大學 機械與運載工程學院，重慶 400044；2.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044）

先進航空發動機研制的成功與否是我國是否實現從“制造大國”向“制造強國”轉型的重要標志之一，其加工制造水平是衡量一個國家綜合科技水平、科技工業基礎實力和綜合國力的重要標志[1]。先進材料和制造工藝技術是制約新型航空發動機發展的關鍵技術，在新一代航空發動機性能提升中貢獻率為50%～70%，在發動機減重中貢獻率占70%～80%。近年來，隨著材料技術的發展，鎳基高溫合金、鈦合金、陶瓷基復合材料等具有優異性能的輕質航空材料在提升航空裝備運載能力及可靠性方面優勢逐漸凸顯，并取得了廣泛的應用。

葉片作為航空發動機的核心關鍵部件，在發動機綜合性能提升上占有重要地位，新材料的應用以及表面完整性的提升對其服役壽命影響巨大[2]。疲勞失效作為葉片等航空轉動構件的主要失效形式[3]，對于發動機的服役可靠性具有極大威脅。據統計，80%航空發動機復雜曲面零部件疲勞失效均源于加工表面質量不能滿足要求，每年由于疲勞失效造成的檢測和維修成本可達幾十億美元[4]。鈦合金[5-6]、鎳基高溫合金[6-7]以及復合材料[8]等輕質航空材料葉片的加工質量直接決定整機的推重比及其服役性能。伴隨著新型輕質航空材料的應用以及先進航空發動機推重比的不斷提高，對新材料葉片的抗疲勞加工工藝也提出了更高的要求。

航空發動機葉片曲面廓形精度和表面質量決定了其最終的氣動性能，并對疲勞壽命有重要影響[9]。目前主要通過精密銑削保證型面精度，但是由于其結構弱剛性、材料難加工、型面復雜等特點，銑削加工后表面一致性差、易形成應力集中以及微裂紋等缺陷，為提高其表面完整性和抗疲勞性能通常采用磨削加工進行精加工。磨削加工作為航空發動機葉片的最終材料去除工藝，直接影響葉片的最終力學性能和表面狀態。因此，研究葉片材料及其抗疲勞磨削工藝對于航空發動機葉片以及航空發動機性能和可靠性提升都具有重要意義。目前在航空發動機葉片的疲勞壽命影響機制以及抗疲勞表面形成機理方面取得了一些進展，然而由于基礎研究不系統等問題，雖然提出了一些表面疲勞性能提升方法定性揭示工藝參數和表面完整性對疲勞壽命的影響規律，但是由于缺乏系統的整理工作限制了這些方法在葉片表面完整性和抗疲勞性能提升方面的直接指導作用[10]。

針對上述問題，本文對航空發動機葉片典型材料及抗疲勞磨削技術和方法研究進行了歸納，進而為實現面向抗疲勞性能優化的航空發動機葉片磨削加工提供方法和理論參考。首先簡述了典型輕質航空材料的特性及其在航空發動機葉片生產中的應用現狀；其次，分析了航空發動機葉片表面磨削技術，總結了目前航空發動機葉片的抗疲勞磨削方法；最后對航空發動機葉片抗疲勞表面研究未來發展趨勢進行了展望。

1 典型航空材料及其在航空發動機葉片制造領域的應用

先進航空發動機朝著高渦輪前溫度、大推重比、長壽命和低油耗的方向發展，而發動機性能的提升除了依靠先進的設計技術，還依賴于先進材料的發展[11]。航空發展史中，每一次材料科學技術的突破都給航空技術發展帶來巨大的影響和推動。隨著航空飛行器減重迫切需求的提出，以鎳基高溫合金、鈦合金、陶瓷基復合材料為典型代表的輕質航空結構材料逐漸出現，且由于其比強度高、比模量大、強/韌性能好、高溫穩定性強、耐沖擊等優異力學性能[12]，成為航空發動機熱端轉動構件的主要生產材料，并被廣泛應用于航空發動機風扇、葉片等具有高可靠性要求的航空構件中。

Oosthuizen 總結了航空發動機中材料的應用比例，如圖1所示，可以看出目前航空發動機材料以鈦合金和鎳基高溫合金為主[13]。纖維增強復合材料具有耐高溫、低密度、抗氧化和抗腐蝕等優良性能，成為航空領域的新型戰略材料，并逐漸應用于航空發動機熱端部件。美國GE 公司利用纖維增強復合材料制造第五代航空發動機渦輪葉片等關鍵零部件，使發動機推重比提高25%的同時油耗降低了10%，可見新型復合材料在航空發動機生產中具有廣闊應用前景。

圖1 航空發動機中的材料應用比例[13]Fig.1 Materials distribution of aero-engine[13]

1.1 鎳基高溫合金及其在航空發動機葉片中的應用

鎳基高溫合金具有卓越的高溫強度、抗氧化、抗熱腐蝕以及抗疲勞等綜合性能，已成為制造航空發動機渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤等高溫部件的關鍵材料[14-15]。其中鎳基合金葉片主要用于航空發動機壓氣機葉片，其主要在高溫、高壓環境下工作，服役溫度在1000 ℃左右。

目前，國外先進航空發動機的渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤、燃燒室等零件幾乎都由高溫合金制成[16-17]，美國GE90 發動機、英國RB211 發動機、德國RB199 發動機以及法國的M88 發動機等都采用了高溫合金渦輪葉盤或葉片。NIMS 在第4 代合金的基礎上增加了Ru 含量，研制了第三代單晶體鎳基高溫合金，使合金的耐用溫度達到1100 ℃。高溫合金結構件在國外航空發動機上獲得了廣泛成熟的應用，且制定了成套的系列標準。以美國、英國、法國和俄羅斯為代表的國家掌握了定向凝固和單晶空心渦輪葉片精密制造技術。同時，在先進精密技術工程應用方面加大投入，使得高溫合金構件的生產質量和合格率大幅提高，如：美國先進航空發動機定向空心渦輪葉片的合格率高達80%，單晶空心渦輪葉片的合格率達60%，葉片單面精度誤差穩定在0.05～0.1 mm。

國內眾多航空發動機也都采用高溫合金作為渦輪盤和導向葉片的生產材料，例如：WP8、WPP6、WJ6 的渦輪盤，FWS10 的高、低壓渦輪盤，IV-XI 級高壓壓氣機盤等[18]。在鎳基高溫合金的生產方面，目前我國已經具備相應的材料成型工藝自主研發能力，基本建成了與航空發動機生產相配套、工藝完整、設備齊全的航空發動機葉片精鑄生產線和制造生產線，并形成了配套的管理體系和制度。我國研制的DD402、DD406 等單晶高溫合金已經在航空領域得到應用，其中DD402 在1100 ℃、130 MPa應力下持久壽命大于100 h，并被用于工作溫度1050 ℃以下的渦輪葉片的生產。隨著具有優異性能的鎳基合金應用逐漸深入，其所面臨的加工溫度高、材料去除率低、表面質量難以保證、疲勞壽命離散性大等問題逐漸凸顯。

1.2 鈦合金及其在航空發動機葉片中的應用

鈦合金因其具有強度高、耐腐蝕、耐高溫等優點而被用于飛機發動機風扇盤件和葉片等零件，可以明顯地減輕發動機的質量，從而提高發動機的推重比[19-20]。在先進發動機上鈦合金的用量僅次于高溫合金，占發動機總質量的25%～40%[21]。

近年來，隨著對鈦合金材料性能以及加工研究的深入，目前已經將其運用于航空發動機轉動構件，成為制造渦輪風扇發動機前風扇葉片的最佳材料。例如，英國的IMI834 是典型鈦合金材料，此外在EJ200、TRENT 系列、PW305 等航空發動機上也得到了成功應用[16]。國內為新型航空發動機研制而生產的鈦合金種類眾多，如表1所示，其中600 ℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金和TiAl 合金材料已成為新型鈦合金的發展重點[11]。鈦合金葉片主要用于航空發動機風扇葉片中，服役溫度在600 ℃左右。與高溫合金GH2169 相比，在500～600 ℃范圍內，600 ℃高溫鈦合金在比強度、低周疲勞性能、抗疲勞裂紋擴展等方面有明顯優勢[22-23]。因此，在Trent800 發動機上，高壓壓氣機前3 級轉子均采用了IMI834。2014 年北京航空材料研究院為我國航空發動機研制的600 ℃高溫鈦合金TA2 順利通過發動機強度考核實驗，為先進航空發動機高溫結構部件的生產加工提供了材料基礎[24]。

表1 我國航空發動機用在役和在研的主要鈦合金Table 1 Main high temperature titanium alloys in service and in developing for aero-engine in China[11]

從表1可以看出，新型在役和在研航空發動機鈦合金種類眾多，在850 ℃范圍內均有對應的鈦合金材料服務于航空發動機的使用需求。鈦合金主要用于航空發動機前風扇葉片[25]，服役溫度為600 ℃左右。在鈦合金的疲勞失效過程中，不合適的加工方法和工藝引起的表面完整性降低是主要原因。

1.3 纖維增強復合材料及其在航空發動機葉片中的應用

復合材料由于其比強度高、比模量大、抗疲勞性能好等力學性能優勢以及在降低燃油消耗、提高飛機機動性方面的應用優勢，近年來逐漸取代傳統金屬材料，在航空制造領域得到廣泛應用[26]。由纖維增強復合材料制成的風扇葉片是減輕整個推進器質量的關鍵元素，因為更輕的風扇葉片可以使包括閥瓣在內的支撐結構部件變得更輕[27]。美國聯邦航空局（FAA）表示未來飛機結構中復合材料的用量將占總機質量的70%以上[28]。

早在20 世紀80 年代，纖維增韌陶瓷基復合材料憑借其優異的高溫性能和力學性能在航空航天等領域受到美、英、法等國的重點關注，并被認為是極端高溫環境服役構件最具應用前景的戰略材料。碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料與鎳基合金相比，可承受的溫度高出150～200 ℃，最高使用溫度達到1600 ℃，并被應用于渦輪葉片、渦輪導葉等航空發動機熱端部件[29-30]。美國先進陶瓷協會表示，美國正在開發第二代耐高溫陶瓷基復合材料，全力攻關陶瓷基復合材料耐溫和損傷韌性不足兩個技術瓶頸問題，嘗試開發更耐高溫和具有更高損傷容限的復合材料。與此同時，陶瓷基復合材料構件在航空航天制造領域的應用逐漸廣泛，在航空發動機葉片及其他轉動部件中的應用也得到了推廣。美國通用電氣航空集團（GE）生產的世界上最大航空發動機GE9X 的高溫靜子和轉子部件均采用陶瓷基復合材料。該發動機采用SiC/SiC 材料生產燃燒室內/外襯、一級高壓渦輪罩環、一級、二級噴嘴和低壓渦輪轉子葉片等5 類部件，使得航空發動機的燃油消耗降低15%，極大提升了運行里程，并于2020 年隨波音777X 客機服役。這是航空復合材料在熱端航空轉動構件的首次工業應用。

我國超高溫復合材料實驗室在2003 年成功開發了CVI 法陶瓷基復合材料的工藝及其設備體系，并具備了批量制備復雜構件的能力，目前已經建立起了系統的復合材料制備工藝體系。同時，國產碳化硅陶瓷基復合材料在發動機整體渦輪葉盤上已經取得階段性的應用。2014 年5 月，中國航天六院研制生產的陶瓷基復合材料噴管首次參加地面試車，其在航空發動機葉片等轉動構件上的應用也指日可待。

盡管航空復合材料在航空發動機應用中具有眾多優勢，然而其硬脆性和結構各向異性的特點給復雜曲面葉片的加工帶來很大挑戰。為滿足葉片的形狀、尺寸和表面完整性要求，復合材料構件整體成形后還需要通過砂輪進行磨拋，傳統磨削加工會出現纖維拔出、界面失效、基體開裂等損傷現象，導致纖維失去增韌作用。此外，材料在高溫、高壓、高頻振動服役環境下更易形成微裂紋等疲勞缺陷，嚴重降低了構件的服役壽命。為此，國內外學者對其磨削加工過程中的材料去除機理進行深入研究，嘗試利用新型加工技術和工藝實現高效、低損傷加工。

2 航空發動機葉片抗疲勞磨削技術概述

由于航空發動機葉片具有結構弱剛性、材料難加工、型面復雜等特性，加工后表面存在燒傷、殘余應力分布不均勻等表面缺陷，將嚴重影響葉片幾何精度、表面質量及其服役性能。因此，分析研究航空發動機葉片磨削方法及其關鍵技術對于指導航空發動機葉片抗疲勞加工以及提升航空發動機服役壽命具有重要意義。砂帶磨削以及磨粒流拋光因兼具磨削和拋光的雙重作用，工藝靈活性高、適應性強，且其柔性拋光的特性在曲面平滑過渡方面具有獨特的擬合效果，在整體葉盤、葉輪、葉片等零件的精密拋光中得到應用，成為提高航空發動機葉片表面完整性和疲勞壽命的有效加工手段。

2.1 航空發動機葉片磨粒流加工

磨粒流加工技術是一種適用于復雜曲面零件表面拋光的非傳統磨削方法，半固體磨料介質在模具模芯的約束和擠推壓力的驅動下通過零件待拋表面，具有切削刃的磨粒與工件表面粗糙峰谷相互擠壓滑擦，實現零件表面的去毛刺、除飛邊、倒圓以及拋光，進而達到表面材料去除以及提高表面完整性的目的，如圖2所示[31-32]。

圖2 磨粒流加工示意圖[32]（a）準備；（b）由下往上推；（c）由上往下推；（d）磨料介質Fig.2 Abrasive flow processing schematic diagram[32]（a）preparation（b）push-up（c）push-down（d）abrasive media

早在1993 年，Boynton[33]就采用磨粒流加工方法對航天飛機的高壓燃油渦輪泵轉子葉片進行拋光，使葉片表面粗糙度從10.16 μm 下降到0.76 μm，透平的冷卻效率提高2.1%，入口溫度下降了32 ℃，對于整體的抗疲勞性能和服役性能具有顯著提升作用。經過數十年的發展，磨粒流加工技術目前已經廣泛應用于航空發動機葉片制造領域。美國DYNATICS、GE 等公司采用磨粒流加工技術實現了葉片的精密磨削加工，將表面粗糙度從2.0 μm降低到0.8 μm，極大提高了葉片加工質量，減小了由表面粗糙度引起的應力集中，提升了葉片的疲勞強度。葉片的抗疲勞性能與表面粗糙度、殘余應力狀態、紋理結構等表面完整性特征直接相關，為了獲得良好的表面完整性，需要對工藝參數進優化研究。Sankar 等[34-35]對黏彈性磨料旋轉磨粒流加工過程中工藝參數對表面完整性的影響規律進行了研究，通過實驗分析了磨粒含量、壓力、加工次數和工件轉速對磨削表面粗糙度的影響。

法國SNECMA 公司提出磨粒流整體葉盤葉片的拋光方法，并將磨粒流應用于整體葉盤葉片粗銑前的加工、精銑前的加工以及精銑后的加工[36]，實現了整體葉盤葉片的磨粒流整體加工。大連理工大學高航等[37]在搭建的磨粒流拋光加工實驗平臺上進行了磨粒流加工模擬分析及可行性研究，并在此基礎上完成了整體葉盤葉片的磨削實驗。Extrude hone、Winbro flow grinding 等公司推出了多種磨粒流相關設備與磨料，主要用于航空發動機整體葉盤、經精密鑄造葉片、數控銑削或電解加工成形后表面的光整加工，用戶數據顯示經由磨粒流加工后整體葉盤表面粗糙度由1.6～2 μm 降至0.4～0.6 μm，如圖3所示，同時效率由手工拋光的40 h/件提高到1 h/件[38]。

圖3 AFM 加工的鈦合金整體葉盤案例[38]（a）整體葉盤（局部）；（b）拋光前；（c）拋光后Fig.3 Titanium alloy discs processed by AFM[38]（a）overall leaf disc（local）；（b）before polishing；（c）after polishing

磨粒流加工技術已被美國航空航天部門列為航空零部件精加工的重要工藝，被廣泛應用于航空發動機整體葉盤、葉片等復雜曲面零件的光整加工。目前，磨粒流加工已經出現了諸多擴展應用，例如振動輔助磨粒流加工[39]、流化床加工[40]、動壓磨粒流加工等[41]。超聲振動輔助磨粒流加工方法是在傳統磨粒流加工方法的基礎上引入超聲振動增大磨粒與工件之間的相互作用關系，以達到高質、高效拋光的新型磨粒流加工方法。Venkatesh等將振動輔助磨粒流加工方法應用到錐齒輪齒面光整加工獲得了比傳統磨粒流拋光更優的材料去除率和表面粗糙度[39]。流化床加工方法是一種借助高速流動的空氣流使磨料介質出現沸騰狀態，從而使磨粒撞擊工件表面達到材料去除的一種新型加工方法。Barletta 等設計了一種新的流化床拋光設備，并采用流化床方法加工管狀718 鎳基合金，其粗糙度Ra達到了0.1 μm 以下[40]。動壓磨粒流加工是一種通過高速流動磨粒撞擊工件表面從而實現材料表面拋光方法。計時鳴等[42]提出了基于固-液兩相磨粒流的“軟性”動壓磨粒流的光整加工方法，在湍流狀態下加工效果最好。周鑫等[41]針對高強、高硬航空金屬材料復雜工件表面精整加工提出了一種基于流體動壓效應的磨粒流光整加工方法，將工件浸入按一定比例配制的磨粒混合液中，依靠高速旋轉的圓柱工具產生的流體動壓效應，將磨粒混合液帶入楔形加工區域實現零件的拋光，如圖4所示。

圖4 旋轉磨粒流動壓拋光原理及實施方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of principle and implementation scheme of rotary abrasive particle flow pressure polishing

從國外企業公開的技術文件中發現，雖然磨粒流在降低表面粗糙度引起的應力集中方面效果明顯，然而磨粒流加工在生產過程中存在形狀精度難以控制的特點，整體葉盤、葉片的葉盆和葉背拋光質量并不均勻，且在葉片邊緣等關鍵部位會出現嚴重過拋現象。尤其是對于葉片等復雜曲面構件，如整體葉盤的進、排氣邊，目前尚無文獻或其他資料給出具體的解決方案，因此多只用于表面光整加工。

2.2 航空發動機葉片砂帶磨削加工

由于航空制造企業缺乏相關的精密高效拋光方法與技術，目前部分航空發動機葉片的精密磨削加工仍然采用手工拋光的方法進行。然而人工拋光不僅勞動強度大、效率低，而且型面精度、表面完整性、表面一致性等特征難以保證。同時，受到工人技術等級和熟練程度的影響，加工質量不穩定，嚴重影響著航空發動機葉片的服役性能、安全可靠性以及生產周期等。因此目前該方法逐漸被機器磨拋加工所取代。

德國IBS 公司采用MTS1000-6CNC 六軸砂帶磨床實現了對葉片等復雜自由曲面部件進行有仿形磨削、恒壓力磨削和CNC 磨削3 種精密加工加工方式[43]。美國Excello 公司、德國Metabo 公司等采用六軸聯動砂帶磨削技術實現了航空發動機葉片型面的磨削加工。同時美國的Acme、Huck 等公司采用機器人夾持拋光輪和砂帶磨頭的方法實現了葉片的精密磨削，獲得了良好的表面完整性，并且取得良好的疲勞壽命提升效果[44-45]。在葉片等復雜曲面的砂帶磨削中，接觸輪的柔性變形以及葉片的弱剛度變形是影響型面精度的主要因素。段繼豪等[46]在輪形磨具磨削加工技術方面對柔性拋光工藝的磨削力和拋光編程及拋光軌跡路徑規劃進行了優化，使得優化工藝加工葉片的精度達到 ±0.06 mm，表面粗糙度小于0.4 μm。Zhao 等[47]對葉片柔性磨具拋光加工葉片的表面粗糙度預測以及參數優化模型進行了研究，通過實驗驗證指出該模型可以降低表面粗糙度25%，降低了表面粗糙度對于航空發動機葉片疲勞壽命的不利影響。Meng 等[48]針對葉片磨削過程中因過度定位而產生的變形問題提出了一種航空發動機葉片懸臂磨削工藝，該方法中葉片一端固定，另一端自由，消除了夾緊力對葉片表面的負面影響。Xu 等[49]針對砂帶磨削加工過程中表面一致性難以保證的問題，提出了一種用于復雜幾何形狀的機器人砂帶磨削力-位置混合控制方法，對航空發動機葉片進行加工驗證。結果如圖5所示，與非力控磨削相比，力控磨削使葉片凹、凸表面的表面粗糙度分別從平均值1.085 μm和1.083 μm 降低到平均值0.375 μm 和0.283 μm，避免了較大粗糙度對于疲勞壽命的不利影響，使得加工零部件疲勞壽命的一致性得到提升。

圖5 機器人磨削磨削效果和表面粗糙度的對比[49]（a），（c）無力控制；（b），（d）有力控制Fig.5 Comparison of grinding effect and surface roughness in robotic grinding[49]（a），（c）without force control；（b），（d）with force control

航空發動機葉片的型面精度對氣流動力性有直接影響，進而影響到工作載荷和疲勞性能，為了提升疲勞性能需要對葉片型面精度控制。在航空發動機葉片精密控型方面，馬良等[50]通過建立恒力砂帶磨削結構原理圖，對葉片機器人砂帶磨削系統進行受力分析，通過計算分析得到接觸輪法向接觸力計算公式，并由此控制加工中接觸力恒定。唐洋洋[51]則設計了機器人柔性砂帶磨削力控制系統，實現了葉片等復雜曲面件柔性砂帶磨削加工過程中的磨削力控制。基于Roboguide 的葉片邊緣機器人磨削加工方法進行了仿真研究，田國富等[52]提出了航空發動機葉片進排氣邊緣機器人砂帶磨削加工的方法，實現了葉片邊緣部位高精度磨削；張雷等[53]對航空發動機葉片雙曲面砂帶磨削工藝、恒力磨削方法等進行了研究，提出了葉片雙曲面砂帶磨削力的精確控制方法。

吳廣領[54]對葉片砂帶磨削六軸數控系統編程技術進行了研究，實現了幾何造型、刀位信息的獲取、后置處理、數控系統的選取以及加工仿真進行研究和設計開發。Xiao 等[55]對航空發動機葉片邊緣當量自適應砂帶磨削方法進行了研究，對砂帶磨削以后的表面粗糙度進行了分析，結果表明，在砂帶磨削以后表面粗糙度小于0.25 μm、且表面呈現壓應力狀態。為了實現砂帶與葉片型面的有效貼合，柔性拋光技術和控制拋光軸矢量被采用，使得磨削后葉片粗糙度達到0.25～0.39 μm[56]。Wang 等[57]對機器人砂帶磨削表面路徑規劃進行了研究，通過離線編程仿真和實驗對比表明該方法可以提高葉片表面質量和服役性能。Song 等[58]對機器人復雜曲面砂帶磨削的材料精確控制方法進行了研究，建立了面向工作環境的自適應模型，通過實驗驗證了該方法的有效性。

從上述分析可以看出，目前針對航空發動機葉片的精密磨削主要采用磨粒流、砂帶磨削等方法，雖然上述方法對于降低表面粗糙度、提升葉片表面完整性具有一定的效果。但由于砂帶磨削技術工藝靈活性高、適應性強、可以保證復雜曲面廓形精度等特性，已經在航空發動機葉片精密磨削加工中被廣泛應用，成為提高葉片表面完整性和抗疲勞性能的有效磨削技術之一。

3 航空發動機葉片抗疲勞表面磨削方法研究

為了提升磨削加工航空發動機葉片的表面完整性進而提高葉片的抗疲勞性能，國內外對相關加工技術和方法展開了研究工作。優化工藝參數及加工條件、多種工藝組合以及新型加工工藝輔助等多種方法被證實可以用于提升航空發動機葉片的抗疲勞性能。

3.1 優化工藝參數及加工條件的方法

不同磨削參數下磨粒與加工材料的作用機制不同，導致加工后材料表面具有不同狀態，進而使加工構件具有不同的抗疲勞性能，不合適的工藝參數甚至會導致材料抗疲勞性能惡化。例如，Guo等[59]在對AISI52100 鋼進行表面磨削時，在磨削表面觀察到了白層，白層內產生的殘余拉應力高達2000 MPa，最終導致構件的疲勞壽命降低了8 倍，分析認為這是由于不合適的工藝參數造成的磨削溫度過高引起。圍繞抗疲勞性能提升，一些學者對磨削工藝參數進行了研究。婁艷芝等[60]探究了磨削進給量對構件疲勞性能的影響，發現與進給量10 μm 的普通磨削相比，進給量3 μm 的精密磨削可以改善表面變質層特征，抑制加工表面的應力集中敏感，同時將疲勞源從表面移至次表面，如圖6所示。與普通磨削相比，精密磨削試樣的旋轉彎曲疲勞壽命提高了15 倍。

圖6 不同磨削試樣疲勞源[60]（a）普通磨削；（b）精密磨削Fig.6 Fatigue sources of different grinding samples[60]（a）general grinding；（b）precision grinding

Li 等[61]對GH4169 航空發動機葉片進行了磨削實驗研究，通過參數優化和磨削實驗，提出了螺旋懸臂磨削工藝，并將其應用于GH4169 葉片的精加工。結果表明：使用200#立方氮化硼樹脂（CBN RB）砂輪加工時，表面硬化嚴重，表面殘余壓應力過大，無法獲得精磨表面。采用螺旋懸臂磨削工藝和300#CBN RB 砂輪可使葉片表面包括前緣和后緣的輪廓誤差在0.01 mm 范圍內，硬化率降低到10.95%，表面粗糙度小于0.4 μm，進氣面/排氣面的平均殘余壓應力值分別為700 MPa 和540 MPa 左右，成品表面無缺陷發生。Meng 等[48]對1Cr11Ni2W2 MoV 葉片進行了磨削加工，結果表明改善工藝可以降低航空發動機葉片的振動，并通過優化磨削參數降低了葉片的撓度，使葉片的表面質量得到提升。Xiao 等[62]研究了砂帶磨削過程中順磨和逆磨工藝對表面完整性的影響，結果表明順磨時，由于近似錐形的磨粒壓痕較深，因而產生了較高的表面粗糙度，而順磨產生的表面殘余壓應力為逆磨削的2.23 倍。Wang 等[63]對不同參數下機器人砂帶磨削系統磨削Inconel718 鎳基高溫合金的表面完整性進行了綜合研究，提出了一種磨削參數優化預測模型，對優化條件下試樣的微觀組織和顯微硬度進行了分析和討論。結果顯示，在優化的磨削參數下，磨削力大幅減小，獲得較大的殘余壓應力和最小粗糙度，同時表面硬度提高15%。Li 等[64]對比了橫向磨削和側向磨削兩種磨削工藝對構件疲勞壽命的影響。結果表明橫向磨削工藝的殘余應力為?912～?827 MPa，側向磨削工藝的殘余應力為?721～?617 MPa，橫向磨削構件具有更高的疲勞壽命。磨料磨具的變化也會影響磨削葉片的表面完整性，Manoj 等[65]對鎳基高溫合金Inconel718 磨削過程中的表面燒傷進行研究，得出燒傷后的表面具有較高的表面粗糙度和較低的顯微硬度，使用氧化鋁砂輪代替SiC 砂輪可以有效提高表面完整性。Xiao 等[66]基于人工智能算法，開發了可以實現磨削表面完整性以及服役性能預測的工藝參數優化軟件，對鈦合金砂帶磨削過程中的參數進行優化設置。該軟件中用戶可以通過可視化軟件界面選擇相應的工作機床、工作參數，即可獲取工況對應砂帶磨削表面完整性以及服役性能的預測值。

硬質合金材料在砂帶磨削過程中，由于材料塑性變形功很大，磨削力會比一般碳鋼大兩倍以上，因此，磨削過程磨削區域發熱嚴重，容易使砂帶磨損并產生高溫，進而工件表面出現燒傷等缺陷，影響表面完整性甚至出現裂紋，降低工件的疲勞壽命，因此需要在加工過程中控制溫度，以防材料出現表面完整性和疲勞強度退化[57，67]。為了降低磨削熱對于疲勞性能的不利影響，采用冷卻潤滑改善磨削條件。季霞[68]在微量潤滑加工表面殘余應力預測建模的研究中，基于微量潤滑條件下的切削溫度和切削力，利用“熱-彈-塑”增量塑性模型，分別對應力加載和釋放兩個過程進行計算，預測加工件表面的殘余應力分布。Yao 等[69]利用立方氮化硼砂輪對Inconel718 進行磨削實驗，通過優化加工參數和冷卻條件，提高了磨削表面的完整性。雖然流體潤滑能夠緩解磨削熱對于表面完整性和疲勞性能的不利影響，然而磨削過程中由于磨削液對接觸區滲透能力較差，限制了磨削液對于表面完整性和抗疲勞性能的有益效果。Shao 等[70]在對微量潤滑條件下磨拋加工殘余應力進行了理論建模和實驗研究發現，與切削液冷卻相比，微量潤滑條件下磨拋溫度高，而且在工件表面形成了殘余拉應力。為了解決這個問題，Gao 等[71]將超聲振動技術與納米流體微量潤滑技術相結合，如圖7所示，增加了液體在磨削區域的滲透性，通過加工條件的優化獲得了最小的表面粗糙度值（0.194 μm）。該方法與超聲振動耦合流體潤滑相比，表面粗糙度Ra值降低了19.5%，與納米流體微量潤滑（NMQL）混合潤滑相比，Ra值降低了39.9%。

圖7 超聲振動與納米流體微量潤滑輔助磨削裝置[71]Fig.7 Ultrasonic vibration and nano-fluid micro-lubrication assisted grinding device[71]

在復合材料磨削加工方面，李皓[72]采用高速攝像裝置，結合切削過程斷裂韌度概念以及能量守恒原理，建立了纖維復合材料斷裂韌度預測模型，實現了對加工表面損傷的量化表征，并通過相關實驗分析了刀具磨損以及纖維方向角對表面完整性的影響規律。田欣利等[73]建立了陶瓷磨削表面殘余應力理論模型，并分析了結構陶瓷磨削表面殘余應力的形成機理，深入研究了磨削熱對殘余應力的影響。Jin 等[74]利用ABAQUS 軟件建立了單顆粒金剛石磨削C/SiC 復合材料的模型，通過對不同的磨削參數下加工表面進行模擬分析，指出：砂輪轉速越高，磨削力越小，表面質量越好，表面開裂越少。Xue 等[75]采用離散單元法構造了一個用于多晶硅氮化硅拋光工藝研究的離散多元模型，并用之構造了陶瓷機械拋光工藝和表面完整性之間的關系模型。Gong 等[76]通過對2.5D 纖維增強SiC 材料磨削過程中的材料去除機理進行觀察，發現基體開裂、纖維斷裂和界面脫粘是纖維增強SiC 復合材料的主要去除方式，同時指出在加工過程中，減小磨削速率，增大切削深度和進給速率可以降低加工表面粗糙度、提升表面完整性。Yin 等[77]研究了磨削速率對SiCf/SiC 陶瓷基復合材料單晶粒磨削材料去除機理的影響。結果表明，提高磨削速率可以使材料脆化，增強纖維的斷裂。沿纖維方向磨削時，纖維呈脆性斷裂，基體在高速磨削時被撕裂。垂直于纖維的方向磨削時，纖維被完全去除，沒有任何殘留的切斷纖維端。此外，通過增加速率磨削可以提高表面質量和加工效率。

Ding 等[78]則研究了磨具對復合材料磨削表面完整性的影響，分別用白剛玉和多孔陶瓷結合金剛石砂輪加工陶瓷基復合材料，結果表明多孔陶瓷結合劑金剛石砂輪的加工性能優于白剛玉砂輪。采用鼓形砂輪進行復合材料復雜曲面磨削加工時，普遍存在加工效率低、砂輪及工件表面易燒傷等問題。葉正茂等[79]根據鼓形砂輪側磨和端磨的加工特點，分別對兩種加工方式下砂輪與工件的磨削接觸線長度進行分析，確認側磨加工方式更適合用于加工復合材料復雜曲面。在此基礎上，采用立方氮化硼錐鼓形砂輪側磨加工方式，使復合材料復雜曲面的加工效率提升5 倍，單位時間材料去除量達到45000 mm3/min，實現了復合材料復雜曲面的高效磨削加工。Agarwal 等[80]通過實驗研究了切削深度、工作臺進給量、磨粒大小和密度等參數對去除率、表面粗糙度、表面和亞表面損傷的影響，結果表明可以通過優化磨削工藝參數來達到更高的材料去除率、更好的表面光潔度和低損傷的表層和次表層，并在此基礎上利用遺傳算法對陶瓷磨削過程進行多目標優化。

3.2 多工藝融合加工方法

不同加工工藝對加工表面完整性狀態以及抗疲勞性能影響不同，而對于葉片等高可靠性要求的航空轉動構件，單一的表面磨削加工難以滿足抗疲勞性能需求，差異化加工方法的集成為抗疲勞表面加工拓展了新思路。針對高性能復雜曲面零件精密高效拋光加工難題，重慶大學和大連理工大學[81]以航空發動機鈦合金整體葉盤類零件為主要對象，探索了機器人輔助砂帶和旋轉磨粒流多能量協調組合工藝精密高效拋光方法，開展了航空高性能復雜曲面零件的機器人柔性砂帶和旋轉磨粒流多能量協調組合工藝精密高效拋光技術基礎研究，實現了航空發動機葉片等高性能復雜曲面零件的機器人輔助自動化拋光加工，提高了批產質量一致性。并基于砂帶+旋轉磨粒流動壓拋光工藝方法組合提出了整體葉盤類零件精密拋光的工藝策略，構建了如圖8所示的實驗工藝系統，用于對航空發動機葉片等典型復雜曲面零件精密拋光進行技術驗證實驗研究，實現了航空發動機葉片的葉尖、葉身、邊緣、葉根和流道面等工作表面的全型面自動化加工。

圖8 航發葉片機器人輔助多工藝組合精密拋光中心示意圖Fig.8 Schematic diagram of multi-process combination precision polishing center for aero-engine blade

噴丸處理作為一種表面強化工藝，可以重建構件的組織和硬化層狀態，在材料表面生成了納米晶粒或者超細晶粒結構，進而提升構件的表面抗疲勞性能。鑒于噴丸在提升抗疲勞性能方面的優異性能，王欣等[82]將噴丸工藝引入磨削加工，采用陶瓷噴丸對磨削后的FGH96 合金表面進行表面處理，結果表明：適當強度的噴丸可以提升磨削表面的疲勞極限。然而噴丸過程中由于能量的釋放，在噴丸表面會產生高溫。為了改善噴丸過程中溫度升高對加工表面產生的不利影響，李康等[83]利用濕噴丸技術對TC4 鈦合金進行表面改性處理，使試樣疲勞裂紋萌生位置由表面轉移至試樣內部約1 mm 深度區域，使得材料的疲勞壽命顯著提高。Yao 等[84]則結合各種加工工藝的特點，研究幾種不同復合工藝對疲勞壽命的影響，研究發現：銑削-拋光-噴丸-拋光復合工藝加工試件的疲勞壽命最長，是銑削加工的68 倍，是銑削-拋光工藝的56 倍，是銑削-拋光-噴丸工藝的48 倍。并且銑削-拋光-噴丸-拋光復合工藝加工的試件疲勞裂紋萌生位置在表面以下150 μm 處。羅學昆等[85]通過對比磨削、磨削+鑄鋼丸噴丸、磨削+陶瓷丸噴丸和磨削+復合噴丸4 種表面加工集成方法對FGH95 合金高周疲勞性能的影響規律，探究了組合工藝對于構件疲勞性能的影響，結果表明：相對磨削，磨削+鑄鋼丸噴丸、磨削+陶瓷丸噴丸和磨削+復合噴丸三種方法均可顯著提高試樣的高溫疲勞壽命，其中磨削+復合噴丸方法獲得了最優的高溫疲勞壽命提升效果，650 ℃、550 MPa 下的疲勞壽命是未噴丸試樣的疲勞壽命的26.3 倍以上。

Tan 等[86]將組合工藝引入航空發動機葉片加工，探究了組合制造工藝對TC17 合金葉片表面完整性和疲勞性能的影響，獲得不同組合工藝下的表面形貌如圖9所示。同時，與銑削-拋光組合工藝相比，銑削-拋光-噴丸-振動拋光組合工藝加工葉片可產生約100 μm 的塑性變形強化層和梯度微結構以及800 MPa 的殘余壓應力，同時硬度提升了5.1%。與銑削-拋光加工的葉片相比，噴丸-振動拋光表面強化處理組合工藝可以提升葉片疲勞壽命約119.5%。并指出銑削-拋光-噴丸-振動拋光組合工藝處理后TC17 合金葉片壽命的延長與最小的表面粗糙度、高強度的深層壓縮殘余應力和加工硬化以及細化晶粒有關。

圖9 不同處理工藝下TC17 葉片的表面形貌[86]（a）銑削；（b）銑削+拋光；（c）銑削+拋光+噴丸；（d）銑削+拋光+噴丸+振動拋光Fig.9 Surface morphologies of TC17 blade under different treatment processes[86]（a）milling；（b）milling+polishing；（c）milling+polishing+shot peening；（d）milling+polishing+shot peening+vibration polishing

3.3 新工藝輔助磨削加工方法

一些新型輔助加工工藝由于在提升抗疲勞性能方面的突出優勢，也在磨削加工中得到了應用，超聲振動輔助加工是一種通過壓電陶瓷將高頻電能轉換為高頻機械振動能量的新型加工方式，具有階段性接觸的特點，在減小切削力、抑制加工溫升、提升表面質量、延長刀具壽命長等方面展現出突出的優勢，并且在越來越多的制造領域得到成功應用。Nik 等[87]在超聲頻率范圍對工件施加縱向振動，比較了常規磨削和超聲輔助磨削兩種工藝對Ti6Al4V 合金磨削力和表面粗糙度的影響。研究結果表明：在超聲輔助磨削中，由于沖擊載荷、接觸面和切削深度變化，使得工件表面粗糙度降低10%，磨削徑向力和法向力分別下降13.5%和14.2%，表面質量得到了改善，同時分析了加工參數對磨削表面的影響，指出高切削速率和進給速率對于超聲輔助磨削表面質量提升具有重要促進作用。

栗育琴等[88]將超聲振動引入砂輪磨削加工，并對比了超聲振動輔助磨削和普通磨削下加工表面的殘余應力。結果表明，與普通磨削相比超聲振動輔助磨削提高了表面殘余壓應力，進而對構件的疲勞壽命產生積極影響。Xi 等[89]將振動輔助磨削應用于解決磨削表面燒傷問題，磨削力降低了35%，顯微硬度和顯微組織變化與常規蠕變進給磨削基本相同。馮真鵬等[90]將超聲波振動施加到拋光工具上，可以將金屬的表面粗糙度Ra 降低到0.05 μm，零件的疲勞性能提高數十倍以上。Liang等[91]發現橢圓超聲輔助使磨削表面粗糙度降低10%，磨削力降低30%，綜合性能得到提高；此外，在磨削操作過程中利用超聲振動可以顯著減少變形的發生，從而增加材料去除量。Xiao[92]等采用圖10所示的超聲振動輔助磨削裝置對復合材料進行了不同工藝參數下磨削表面質量研究。結果表明：超聲輔助磨削加工表面粗糙度比普通磨削加工表面粗糙度低10%～30%，超聲輔助磨削形成的表面更光滑，一致性更好，更容易形成良好的表面質量。航空發動機葉片材料具有高韌性、高硬度、耐腐蝕性好等特點，將傳統磨削加工技術與振動超聲技術相結合，實現葉片及葉輪等復雜曲面的超聲輔助磨削加工將是未來發展的研究熱點[93]。

圖10 超聲振動輔助砂輪磨削裝置[92]Fig.10 Ultrasonic vibration assisted grinding device[92]

激光輔助加工技術是基于硬脆材料力學性能對溫度的強依賴性提出的另外一種高表面完整性加工方法，通過激光輻照加熱將材料軟化，使其斷裂強度降低至屈服強度以下再進行材料去除，進而達到材料塑性去除、獲得高質量無裂紋表面的目的[94]。激光加工零件表面光潔度小于0.3 μm，表面硬度分布較均勻。Okada 等[95]將LAEB 輻照作為Ti-6Al-4V 試樣的最終表面處理工藝，發現表面粗糙度從20 μm 降低到3 μm，經精加工后，硬度和耐腐蝕性均有所提高。馬哲倫等[96]將激光輔助方式引入砂輪磨削加工。結果表明：采用激光輔助磨削加工可改變材料的去除方式，與常規磨削加工相比，表面形貌脆性斷裂減少，表面粗糙度值更低，表面質量更好。激光噴丸是利用激光輔助提升零部件疲勞性能的另一方法。激光噴丸過程中，激光光束射向零件表面，生成7 GPa 的脈沖壓力，并以沖擊波的形式穿過零件，由此產生的殘余壓應力可達普通噴丸的10 倍以上。激光噴丸可以在金屬表面以下提供保護殘余壓應力，增強疲勞抵抗和裂紋抑制，精確地防止飛機部件出現疲勞斷裂失效的災難性事故。Karthik 等[97]通過激光噴丸工藝處理Incone l600 合金以改善其抗腐蝕性能，發現噴丸過程中在工件表面形成了較大的殘余壓應力，并且具有較深的變形層，這幾個因素使得工件的抗疲勞性能得到提升。噴丸處理在獲得高殘余應力的同時，也會增加表面粗糙度值。為了減小噴丸對表面粗糙度造成的不利影響，更小、更硬的噴丸重復噴丸以及噴丸+磨削加工的組合工藝也被應用，并取得了較好的效果。Dc 等[98]以鎳基高溫合金高壓轉子壓氣機葉片為研究對象，通過高頻振動測試分析了脈沖激光燒蝕修復葉片和機械磨削葉片的性能，證實了與機械磨削相比，脈沖激光修復技術加工葉片在高周狀態下的疲勞強度可以達到同等水平。

為了解決鎳基高溫合金、鈦合金等硬質合金磨削效率低，表面完整性、服役性能差的問題。重慶大學高性能表面加工團隊自主開發設計了首臺激光砂帶協同磨削加工裝備。該設備結合超快激光加工的高精度、無損傷和砂帶磨削高效率、高表面完整性的加工特點，實現了高表面完整性加工以及特定仿生微結構加工[99]。并利用該技術對高溫合金、鈦合金、復合材料等高強度材料進行了抗疲勞表面加工實驗。檢測結果表明，材料表面沿深度呈壓應力狀態，表面顯微硬度顯著提高，且形成的仿生微結構能顯著提高材料的剛度，減小表面應力集中，改善氣流動力性，降低振動噪聲，大大提高了工件的疲勞壽命[100]。借助砂帶磨削柔性加工和激光無損傷加工特點，該技術還可應用于復雜曲面薄壁件的加工，可進一步推動抗疲勞加工技術在航空發動機葉片、螺旋槳等復雜曲面上的工程應用，提高服役性能。

周留成[101]將激光輔助加工的方法應用在航空發動機葉片的加工中，利用激光沖擊復合強化技術對某型航空發動機渦輪葉片進行加工，結果表明激光輔助加工工藝成功提高疲勞壽命3.79 倍。汪誠等[102]對發動機高壓渦輪葉片材料K403/K3 鑄造高溫合金試片進行激光沖擊強化處理，結果表明：激光沖擊強化后，試片疲勞壽命是原始狀態試片壽命的2.4 倍，同時指出激光沖擊強化的強沖擊波作用使金屬發生高應變率塑性變形以及隨之產生的較大較深殘余壓應力是金屬疲勞性能提高的主要原因。

復合材料磨削加工過程中存在磨具磨損快、表面微裂紋多的問題，不利于服役受命提升。鑒于激光加工非接觸材料去除以及韌性去除的特點，Li等[103]在圖11所示的激光輔助磨削裝置上進行了RB-SiC 陶瓷磨削實驗研究，發現由于激光預熱降低了材料硬度與微觀組織結構，材料塑性去除程度增加，且磨削后工件表面粗糙度和加工損傷更低。Ma 等[104]利用激光輔助磨削ZrO2陶瓷時，同樣獲得了低表面粗糙度和較少的次表層微裂紋。當前激光加工主要用于復合材料的切割和表面刻蝕，激光加工過程中材料與激光相互作用機理仍然處于摸索階段。雖然激光輔助加工在復合材料的高效、低損傷磨削方面取得了部分突破，然而目前對于復合材料抗疲勞磨削基礎研究仍然十分匱乏，在加工中缺乏有效指導，因此迫切需要針對復合材料葉片的結構和性能特點開發出綜合的抗疲勞加工工藝。

圖11 激光輔助砂輪磨削原理圖[103]Fig.11 Schematic diagram of laser-assisted wheel grinding[103]

4 未來發展趨勢

航空發動機葉片抗疲勞性能提升作為航空制造領域研究的熱點和難點，受到世界各國學者的廣泛關注。隨著先進航空發動機推重比的不斷提升，對航空發動機葉片材料輕量化和抗疲勞加工工藝也提出更高要求。磨削作為航空發動機葉片的最終材料去除工藝，對于疲勞壽命具有重要影響。雖然在新型輕質航空材料研發以及抗疲勞磨削方法和工藝等方面已經取得了一定進展，但目前仍存在抗疲勞磨削方法匱乏，表面完整性控制策略不完善，難以實現工業化應用等問題。結合航空發動機葉片抗疲勞磨削研究中存在的問題，對未來的發展趨勢做如下展望：

（1）探索新的高效、低損傷、高性能表面加工方法。磨削表面的完整性狀態和功能性微結構對于航空發動機葉片極端服役環境下的耐高溫性能、耐疲勞性能、承載性能等具有直接關系。傳統磨削方法只能通過優化工藝參數和加工條件，使葉片抗疲勞性能得到有限提升，不能實現兼具微納結構和表面性能強化的協同加工，這是航空發動機葉片抗疲勞加工中亟需解決的問題。在了解航空發動機葉片材料特點以及服役性能需求的基礎上，引入激光、超聲等新型加工工藝形成表面協同強化加工方法，探索新方法下表面完整性調控方法、材料去除行為和去除機理、揭示協同加工下表面完整性的影響機制以及表面抗疲勞性能強化規律。最終形成高效、低損傷、高性能磨削方法，為航空發動機葉片的抗疲勞磨削提供方法基礎。

（2）完善面向抗疲勞性能優化的表面完整性控制策略。為了獲得具有優異服役性能的表面，需要對工藝參數進行調整，獲得相應的表面完整性特征。盡管近年來進行了大量實驗研究，揭示了磨削工藝參數和表面完整性之間的影響關系、建立了對應的數學模型，然而由于表面完整性與疲勞性能之間的耦合作用機制復雜，目前表面完整性對疲勞性能的影響多為單因素的定性分析，限制了其對于抗疲勞加工的指導。因此迫切需要分析不同磨削方法下表面完整性的形成規律和補償策略，揭示表面完整性對疲勞性能的耦合作用機制，建立表面完整性與抗疲勞性能之間的多因素數學模型，形成完善的表面完整性多參數調控策略。進而建立面向服役性能優化的磨削工藝智能優化體系，為航空發動機葉片的抗疲勞磨削加工提供工藝理論指導。

（3）開發面向服役性能優化的智能工業軟件。表面完整性控制策略能夠為功能性表面加工提供理論指導，然而目前存在抗疲勞工藝策略難以與生產加工進行融合的難題，嚴重制約著抗疲勞磨削工藝的工業化應用。工業軟件為表面完整性控制策略的工業化應用和推廣提供新的思路和方法，結合人工智能、大數據、云平臺等新型技術手段，開發面向服役性能優化的工業軟件，通過深度學習、在線監測，自動補償等方法，可以使軟件具備型面特征、加工軌跡、加工參數等加工要素的實時調整功能。通過面向服役性能優化工業軟件的開發，能夠解決抗疲勞制造工藝工業化應用難題，同時由于與智能制造的國家戰略需求高度融合，可以有效促進航空發動機葉片抗疲勞磨削工藝的工業化應用和推廣。