原子能院揭秘：如何管理航空发动机残余应力？
原子能院揭秘：如何管理航空发动机残余应力？
近日，中国原子能科学研究院利用先进的中子大科学平台，成功对航空发动机用高温合金环形件进行了内部三维残余应力分布测试。这一突破性的研究不仅提供了关键实验数据支持，还解决了因残余应力引起的精密结构件变形问题，有效提升了我国核心装备的研制进度。
航空发动机残余应力的特殊挑战
航空发动机是现代工业皇冠上的明珠，其制造精度和材料性能要求极高。在发动机工作时，高温合金部件需要承受极端的温度和压力条件，任何微小的残余应力都可能导致灾难性的后果。
残余应力是工件在制造过程中由于不均匀的塑性变形、温度变化或相变等原因，在外力去除后仍残留于工件内部的自平衡内应力。在航空发动机中，这种应力可能由冷拉、弯曲、切削加工等机械加工引起，也可能来自铸造、焊接或热处理等工艺过程中的不均匀体积变化。
残余应力对航空发动机的影响是全方位的：
- 尺寸与形状改变：残余应力会导致物体产生弹性变形或晶格畸变，从而影响其尺寸和形状稳定性。
- 使用寿命缩短：在外部载荷作用下，残余应力会使零件内部应力分布不均，降低疲劳强度并加速材料破坏。
- 塑性和韧性下降：残余应力会加剧应力集中，提高变形抗力，进而降低金属的塑性和冲击韧性。
- 耐腐蚀性减弱：高能量状态下的残余应力易引发应力腐蚀，降低零件的耐蚀性能。
创新的中子衍射检测技术
传统的残余应力检测方法主要有两类：机械释放测试法和物理测试法。机械释放测试法通过切割或钻孔等方式使残余应力释放，然后根据变形计算原始应力，但这种方法会破坏工件，不可重复测试。物理测试法则通过检测材料晶体结构的变化来测定残余应力，主要包括X射线衍射法、中子衍射法等，属于无损或近似无损测试。
原子能院采用的中子衍射技术具有独特的优势：
- 穿透深度大：中子衍射技术能够深入材料内部，检测表面到深层的残余应力分布，而不仅仅是表面应力。
- 三维应力分布：该技术可以实现三维空间内的应力检测，提供更全面的应力分布信息。
- 高精度：中子衍射技术的检测精度高，能够准确捕捉微小的应力变化。
- 无损检测：整个检测过程不会对工件造成破坏，可以重复测试。
实际应用价值与未来展望
这一研究成果对于保证航空发动机的工作效率、服役安全以及整机性能具有重要意义。通过精确检测残余应力分布，工程师可以：
- 优化设计：避免厚薄不均或尖角结构，使用铸造圆角以减少应力集中。
- 合理安排工艺路线：将粗精加工分开，或在关键工序间加入去应力退火。
- 高温时效：通过长时间加热至较低温度，促进应力松弛。
- 振动时效：利用共振使工件内部发生微小塑性变形，释放残余应力。
随着我国工业水平的提升，人们对于高端制造、航空航天等领域中存在的残余应力相关潜在危害日益重视。残余应力检测对于了解构件残余应力大小和分布，以及进一步控制残余应力具有关键作用。原子能院的这一突破，不仅展示了我国在大科学装置应用方面的实力，更为航空发动机制造提供了强有力的技术支撑。
未来，随着残余应力检测技术的不断发展和完善，我们有理由相信，航空发动机的制造精度和可靠性将进一步提升，为我国航空航天事业的发展注入新的动力。