航空發動機葉片外物損傷試驗模擬方法

潘 輝，趙振華，陳 偉

（南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016）

0 引言

葉片外物損傷是航空發動機在近地狀態飛行時可能出現的故障之一，嚴重的引起葉片疲勞斷裂，從而嚴重威脅飛機的飛行安全。20世紀90年代中期，在美國高循環疲勞科學技術計劃（簡稱HCF計劃）的支持下，對葉片FOD問題開展了大量研究工作，深入研究了FOD特征及其對葉片HCF強度的影響規律，發展和評估了FOD的試驗模擬方法、數值仿真方法以及損傷葉片HCF強度的試驗方法和理論預測方法，并最終形成了新的葉片FOD容限設計技術和設計準則[1]。其中研究的有6種：機械加工缺口法；擺錘/落錘法；螺線槍法；準靜態擠壓法；空氣炮法和整機吸入試驗法。從理論上講，整機吸入試驗是惟一能夠精確模擬FOD對整機影響的試驗方法，但由于試驗費用巨大且科研價值有限，未見有相關的試驗研究及論文、報告發表，故不對其作深入探討。其余5種試驗模擬方法可以概括為4類：機械加工缺口法、低速沖擊方法、準靜態擠壓法和高速彈道沖擊法。本文對這4類方法進行概述分析，詳細介紹其基本原理、特點及應用情況，以期為國內深入開展相關的試驗研究工作提供參考。

1 機械加工缺口法

機械加工缺口法具有操作簡單、可重復性和可控制性強、試驗成本低等特點，在早期的FOD研究中被廣泛采用。1959年，英國RR公司的Dunham等[1]首次運用該方法在鋼、鈦、鋁3種材料的真實葉片上模擬了FOD，研究了在1彎振型下損傷葉片的疲勞強度。1990年，喬文逍等[2]根據GJB241-87的要求，在某發動機第1級壓氣機轉子葉片上機械加工了Kt=3的缺口，并在發動機試車臺上進行了初步的葉片抗FOD能力考核試驗。然而，機械加工的模擬損傷不具有典型的FOD特征，其損傷缺口附近幾乎不存在殘余應力場、微小裂紋和微觀結構損傷。在HCF計劃中，基于機械加工缺口法的大量試驗研究表明[3]：機械加工的損傷缺口尺寸同FOD缺口尺寸之間沒有必然聯系。由此可見，通過機械加工缺口法在葉片或試樣（統稱“目標體”，下同）上模擬FOD，并以此為基礎評估葉片的抗FOD能力，從本質上講是不科學的。

2 低速沖擊方法

低速沖擊方法是相對簡單的1種FOD試驗模擬方法，包括擺錘/落錘法和螺線槍法。其基本原理：基于能量等效原則，以低速沖擊過程（＜10 m/s）模擬FOD。該方法是HCF計劃中模擬FOD的1類重要方法，在研究FOD對材料或簡單部件疲勞強度的影響方面有著較為廣泛的應用。

低速沖擊方法的基本試驗過程：固定目標體，刀口在外力驅動下加速并沖擊目標體，產生模擬FOD。在擺錘/落錘法中，加速刀口的驅動力是重力，沖擊能量通過調整擺臂轉角/落錘豎直高度控制。在擺錘試驗中，沖擊過程將導致擺臂反彈，因此需附加設計擺臂捕獲系統，以防止擺錘對目標體的2次沖擊。而在落錘試驗中，由于落錘質量大且運動軌跡沿豎直方向，沖擊造成的反彈作用微弱，因此不存在2次沖擊問題。擺錘/落錘法的優勢是沖擊能量計算簡便，不足在于無法精確確定沖擊過程所消耗的能量。與擺錘/落錘法不同，螺線槍法中加速刀口的驅動力是安培力。在螺線槍試驗系統中，刀口夾頭的尾部支桿上纏繞電感線圈，在給定能量條件下，電感線圈受安培力作用并促使整個“刀口-夾頭-支桿-線圈”系統加速，直至沖擊目標體產生模擬FOD。螺線槍法具有好的可控制性和速度可重復性，是美國GE公司模擬FOD的基準試驗方法[3]。

低速沖擊方法的優點是使用方便，重復性好，便于在大量目標體上快速模擬FOD，試驗成本低、效率高，刀口的形狀可以任意選擇，以實現對特定形狀FOD的模擬；主要缺點是“沖擊能量-損傷深度”關系會隨目標體的結構變化而變化，因此試驗前必須校準這一關系。該方法能模擬出明顯的殘余應力場，但其量值和塑性強化特征與典型FOD引起的有明顯不同。由于受沖擊載荷的作用，低速沖擊試驗中有可能發生掉塊現象。與機械加工缺口法相比，這一特征使得其模擬的FOD更為接近真實的FOD。

近年來，中國基于低速沖擊方法開展了部分FOD研究工作。康繼東等[4-5]分別對TC4合金平板葉片和真實葉片進行擺錘沖擊試驗和振動疲勞試驗，對比分析了損傷葉片維修前、后的振動疲勞壽命。周勝田等[6]采用落錘法在TC4合金平板試樣上模擬FOD，研究沖擊損傷對TC4合金試樣疲勞壽命的影響。

3 準靜態擠壓法

準靜態擠壓法的試驗流程是：固定目標體到伺服液壓或螺旋驅動的夾持系統，安裝刀口于刀口夾頭，降低夾頭至刀口與目標體剛好接觸，通過液壓、機械或電動方式準靜態驅動刀口，直至在目標體上產生預置深度的模擬FOD。采用準靜態擠壓法模擬FOD的深度通過夾頭位移或最大載荷控制，比低速沖擊方法更為方便。但是，由于受載荷擾動、刀口與目標體起始接觸位置的判斷誤差等因素影響，試驗前仍有必要校準“夾頭位移/載荷-損傷深度”關系。與低速沖擊方法一樣，試驗時刀口的形狀可以任意選擇，以實現對特定形狀FOD的模擬。準靜態擠壓法也能模擬出明顯的殘余應力場，但其量值和塑性強化特征與典型FOD、低速沖擊方法模擬的均有明顯不同。特別指出的是，準靜態擠壓試驗可提供連續的“載荷-位移”信息，使得確定輸入目標體的凈能量成為可能。

Mall等[7]曾用準靜態擠壓法在Ti-6Al-4V合金平板試樣上模擬FOD（如圖1所示），并進行了損傷試樣的疲勞極限。結果表明：模擬損傷處有明顯的塑性變形，損傷深度超過2000 μm時可見剪切裂紋，含剪切裂紋損傷試樣的疲勞極限約200 MPa，且基本保持穩定，是未損傷試樣疲勞極限的1/3（如圖2所示）。據此認為Kf=3代表了最嚴重的FOD。

圖2 Mall的疲勞試驗結果[7]

4 高速彈道沖擊法

高速彈道沖擊法被認為是最能準確模擬FOD的試驗方法。其基本原理是：高壓氣體膨脹作功，推動外物在炮管內加速，直至飛出并沖擊固定在炮口前的目標體，產生模擬FOD。根據高壓氣體的不同來源，高速彈道沖擊法可分為槍彈法和空氣炮法2種形式。前者在中國僅有的2次高速彈道沖擊模擬FOD試驗中被采用，后者是近十余年來國外開展FOD模擬試驗的主流方法。

20世紀80年代末，孫振德等[8]采用槍彈法在某型發動機葉片上模擬了FOD，對損傷葉片的剩余振動疲勞壽命及葉片的損傷容限進行了研究。其試驗系統主要包括發射裝置、測速裝置和葉片固持裝置。發射裝置是口徑為7.62 mm、長500 mm的1支常規步槍。待發射外物（鋼珠或砂粒）裝在1對尼龍彈托中并用槍油封住，彈托靠壓彈器壓入拔掉彈頭的彈殼中。彈殼中裝有片狀火藥，經瞄準發射后，火藥爆炸產生高壓氣膨脹作功，加速彈托和外物使其射出槍管。在空氣阻力作用下，2半彈托自行分開，外物脫離彈托后繼續沿某一彈道軌跡運動，經測速裝置后沖擊到固持葉片的前緣，產生模擬FOD。為防止彈托擊中葉片，設計了1塊帶狹縫的鋼板安置于葉片前面，起分離彈托的作用。2009年，胡緒騰等[9]亦采用槍彈法在TC4合金平板葉片上模擬FOD，研究了FOD對TC4模擬葉片HCF強度的影響。槍彈法的主要缺點是：發射外物的速度極不穩定，即便是十分精確地控制每次試驗的火藥用量，依然具有很大的分散性。具體試驗數據見表1。

表1 槍彈法和空氣炮法外物發射速度的分散性比較

空氣炮試驗系統的基本結構如圖3所示。與槍彈法不同，空氣炮法使用壓縮空氣加速外物，通過調節壓縮空氣壓力控制外物發射速度。空氣炮法亦采用彈托結構，發射外物的形狀、尺寸等不受炮管直徑限制。而且，通過改變外物在彈托中的安裝方式，可實現對外物撞擊目標體姿態的控制，亦即模擬FOD形貌的控制，如圖4所示。空氣炮法多以光電測速系統測定外物發射速度，測速位置在炮管末端。這種設計便于縮短炮口和目標體之間的距離，從而減少外物的自由飛行距離，有助于提高試驗的可重復性和可控制性。目標體的固持裝置設計為轉動調節機構，方便以不同的外物入射角模擬FOD。空氣炮法的主要局限是可重復性和可控制性較差，但國外使用經驗表明，這一局限可通過大量的使用經驗積累得到改善。近10余年來，國外在空氣炮法模擬FOD方面已經積累了豐富的試驗經驗，其外物發射速度及模擬FOD的可重復性和可控制性已經達到很高的水平。

高速彈道沖擊法能夠模擬出典型的FOD微觀損傷特征——絕熱剪切帶。絕熱剪切帶是在高應變率條件下形成的1種微觀結構損傷特征。由于受高應變率的作用，材料局部大塑性畸變產生的熱量來不及傳輸出去，致使金屬發生明顯的熔化和重凝結過程，從而在塑性變形區中形成一些白色的亮帶，即絕熱剪切帶。在交變載荷作用下，絕熱剪切帶容易誘使疲勞裂紋萌生并沿剪切帶延伸方向擴展，引起材料或部件發生疲勞斷裂失效。Roder等[10]顯微觀察了硬質鋼珠（309 m/s）沖擊Ti-6Al-4V合金平板試樣的損傷缺口，繪制了其絕熱剪切帶的分布示意圖，如圖5所示。Ti-6Al-4V合金平板試樣上V型模擬FOD邊緣區域的背散射電子顯微鏡照片如圖6所示。從圖中可見，其絕熱剪切帶的分布與圖5中的基本類似。絕熱剪切帶的存在表明：高速彈道沖擊法能夠再現

FOD中的高應變率過程，因而能夠更為準確地模擬FOD。

為推動中國對葉片FOD問題的研究，促進中國空氣炮法模擬FOD試驗技術的發展，南京航空航天大學202教研室于2010年開始設計和建設用于葉片FOD模擬的空氣炮試驗系統，現已基本建成并投入使用，試驗系統如圖7所示。該試驗系統可發射橫截面直徑為1～10 mm的各類外物（鋼珠、金屬塊、石塊等），發射速度為 100～400 m/s。目前，已利用該試驗系統開展了部分研究工作，如“外物（鋼珠）沖擊速度對模擬FOD特征的影響分析”、“FOD 對TC4合金平板試樣高低周復合疲勞性能的影響研究”等，積累了一定的試驗經驗，為深入開展葉片FOD問題研究奠定了基礎。采用該試驗系統模擬的FOD形貌如圖8所示。

5 總結

（1）機械加工缺口法操作簡單、可重復性和可控制性強，但模擬損傷不具有典型的FOD特征：殘余應力、表面小裂紋、微結構損傷。

（2）低速沖擊方法和準靜態擠壓法，試驗相對簡單，能產生殘余應力場，但與FOD引起的有明顯差異。

（3）高速彈道沖擊法是最能準確模擬FOD的試驗方法，可模擬出典型的FOD微觀損傷特征—絕熱剪切帶。與槍彈法相比，空氣炮法的可重復性和可控制性較好，是國外開展FOD模擬試驗的主流方法。

（4）中國對葉片FOD的試驗模擬研究不足，采用空氣炮法模擬FOD的試驗技術研究亟待開展。

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[11]關玉璞，陳偉.航空發動機葉片外物損傷研究現狀[J].航空學報，2006，28（4）：851-857.