徑流式車用鈦鋁合金增壓器渦輪葉片高溫持久壽命研究

王正，李勝，楊策，張煒，劉繼林

(1.中國北方發動機研究所(天津)柴油機增壓技術重點實驗室，天津 300400；2.鋼鐵研究總院高溫材料研究所，北京 100081； 3.山西柴油機工業有限責任公司產品研究所，山西 大同 037036；4.中國人民解放軍駐616廠軍事代表室，山西 大同 037036)

徑流式車用鈦鋁合金增壓器渦輪葉片高溫持久壽命研究

王正1，李勝2，楊策3，張煒4，劉繼林4

(1.中國北方發動機研究所(天津)柴油機增壓技術重點實驗室，天津 300400；2.鋼鐵研究總院高溫材料研究所，北京 100081； 3.山西柴油機工業有限責任公司產品研究所，山西 大同 037036；4.中國人民解放軍駐616廠軍事代表室，山西 大同 037036)

針對徑流式車用鈦鋁合金增壓器渦輪，分析渦輪葉片的載荷與應力空間分布特征，指出葉片高溫持久斷裂失效模式是鈦鋁合金增壓器渦輪的潛在失效模式之一。試驗研究鈦鋁合金增壓器渦輪的高溫持久性能，給出鈦鋁合金渦輪高溫持久壽命同應力與溫度之間的數學關系。基于發動機耐久性臺架考核試驗剖面，建立鈦鋁合金增壓器渦輪對應葉片高溫持久斷裂失效模式的壽命預測模型，并對某型車用鈦鋁合金增壓器渦輪的葉片高溫持久壽命進行預測。研究表明，該型鈦鋁合金增壓器渦輪葉片高溫持久壽命高于服役壽命，能夠滿足使用要求。

鈦鋁合金；渦輪；渦輪葉片；高溫性能；壽命預測

渦輪增壓器是發動機提升功率密度和增強高原環境適應性的關鍵部件[1-2]。作為渦輪增壓器的核心零部件之一，渦輪葉輪的可靠性對渦輪增壓器或增壓系統的可靠性有著十分重要的影響。

現有的徑流式車用增壓器渦輪普遍采用鎳基鑄造高溫合金K418材料制造，由于K418合金材料的密度較大(8.0×103kg/m3)，用其制造的增壓器渦輪轉動慣量也相應較大，導致渦輪增壓發動機的瞬態響應性較差。為有效降低渦輪增壓器轉子的轉動慣量、提高渦輪增壓發動機的瞬態響應性，增壓器渦輪葉輪可以采用鈦鋁合金、陶瓷等材料。

鈦鋁合金材料不僅具有密度小(其密度為3.9×103kg/m3)、比彈性模量較高等特點，而且具有良好的高溫性能與抗氧化性能。用鈦鋁合金制造增壓器渦輪葉輪，能夠大幅度降低渦輪增壓器轉子的轉動慣量，有效提高渦輪增壓發動機的瞬態響應性能。近年來，圍繞鈦鋁合金增壓器渦輪的工程化應用，國內外學者和技術人員從不同角度對其進行了研究[3-7]。李勝等針對鈦鋁合金增壓器渦輪的鑄造成型問題，研究了既能保證鈦鋁合金渦輪葉片成形又能形成擇優取向層片組織的型殼預熱溫度范圍，并用鑄造板片模擬葉片組織，通過測試抗彎強度和缺口拉伸性能對其可靠性進行了評價[3]；門日秀等針對鈦鋁增壓器渦輪葉輪的超速破壞失效模式，通過對渦輪超速破壞斷口進行宏微觀分析，研究了鈦鋁合金增壓器渦輪的超速破壞斷裂機理[4]；T. Tetsui和S. Ono通過分析鈦鋁合金增壓器渦輪在實際載荷環境下的破壞過程以及合金成分與微結構對強度的影響，研究了鈦鋁合金用于柴油機增壓器渦輪的耐久性問題[5]。從國內外的研究現狀來看，目前對鈦鋁合金增壓器渦輪的研究主要集中在鈦鋁合金制備與鈦鋁合金渦輪的成型工藝方面。盡管有關于鈦鋁合金渦輪在小型車用渦輪增壓器中應用的報道，但是針對鈦鋁增壓器渦輪葉輪的失效模式與結構可靠性還有待進行深入系統研究。

本研究針對車用徑流式鈦鋁合金增壓器渦輪潛在的葉片高溫持久斷裂失效模式，分析鈦鋁合金增壓器渦輪的多場載荷與應力分布特征，通過試驗研究鈦鋁合金增壓器渦輪的高溫持久性能。在此基礎上，建立起鈦鋁合金增壓器渦輪對應葉片高溫持久斷裂失效模式的壽命預測模型。

1 鈦鋁合金增壓器渦輪的載荷與應力研究

增壓器渦輪工作時承受著離心載荷、熱載荷和氣動載荷的共同作用，載荷大小取決于渦輪的工作狀態參數，即渦輪轉速、進口溫度、進口壓力、出口溫度、出口壓力、氣體流量等。其中，渦輪的離心載荷主要由其工作轉速決定，熱載荷和氣動載荷同進口溫度、進口壓力、出口溫度、出口壓力、氣體流量等工作狀態參數相關[8]。在這里，以某車用增壓器渦輪為例，研究鈦鋁合金渦輪的熱載荷、氣動載荷以及應力響應空間分布特征。

圖1示出發動機在標定點工況運行時，鈦鋁合金增壓器渦輪的表面溫度分布與實體溫度分布。從圖1可以看出，渦輪的葉片進口處溫度最高。圖2示出發動機在標定點工況運行時，鈦鋁合金渦輪葉片在穩態氣動載荷作用下的表面壓力分布。從圖2可以看出，在穩態氣流作用下渦輪葉片表面上承受的氣動載荷相對較小。

圖1 渦輪的表面與實體溫度分布

圖2 增壓器渦輪葉片表面的氣動壓力分布

圖3示出發動機在標定點工況運行時，鈦鋁合金渦輪葉片在離心載荷、熱載荷和穩態氣動載荷共同作用下的應力空間分布特征。從圖3可以看出，渦輪葉片的最大應力出現在葉根。

結合圖1和圖3可知，鈦鋁合金增壓器渦輪工作時，渦輪的最大應力出現在葉片根部，而且該部位受高溫燃氣沖刷，同時還處在高溫環境下工作。因此，鈦鋁合金增壓器渦輪隨車用發動機長時間工作時，有必要針對鈦鋁合金渦輪潛在的葉片高溫持久斷裂失效模式開展壽命預測研究。

圖3 鈦鋁合金渦輪在離心載荷、熱載荷和穩態 氣動載荷共同作用下的應力分布

2 鈦鋁合金增壓器渦輪高溫持久性能研究

為有效確定鈦鋁合金增壓器渦輪的高溫持久強度性能，從鈦鋁合金增壓器渦輪上進行取樣，設計加工了高溫持久性能試驗樣件(見圖4)，并在試驗機上對試驗樣件的高溫持久強度性能進行測試。試驗結果見表1。

圖4 鈦鋁合金增壓器渦輪高溫持久性能試樣

序號溫度T/℃應力s/MPa持久壽命t/h1600500189.52700360256380025093

圖5示出經過試驗測試后的鈦鋁合金增壓器渦輪高溫持久強度性能樣件，圖6示出鈦鋁合金增壓器渦輪高溫持久性能試樣的斷口。

根據鈦鋁合金增壓器渦輪高溫持久性能試樣測試結果，可以近似得到鈦鋁合金渦輪高溫持久壽命同應力與溫度之間的數學關系：

式中：t表示持久壽命；T表示溫度；s表示應力。

圖5 鈦鋁合金增壓器渦輪高溫持久性能試樣(測試后)

圖6 鈦鋁合金增壓器渦輪高溫持久性能試樣斷口

3 鈦鋁合金渦輪葉片持久壽命預測研究

由于缺乏鈦鋁合金渦輪增壓器所匹配發動機的實測工作狀態參數，本研究基于發動機的耐久性臺架考核試驗剖面(見圖7)，對鈦鋁合金增壓器渦輪的葉片持久壽命進行預測。

圖7 發動機的耐久性臺架考核試驗剖面

由圖7可知，發動機的耐久性臺架考核試驗剖面主要由以下4種工況組成：1)發動機轉速為標定轉速，扭矩按外特性；2)發動機轉速為標定轉速的88%，扭矩按外特性；3)發動機轉速為標定轉速的80%，扭矩按外特性；4)發動機轉速為最大扭矩轉速，扭矩為最大扭矩。

針對發動機耐久性臺架考核試驗剖面的4種主要工況，運用GT-Power軟件建立發動機與增壓器的聯合工作過程仿真模型，計算得到發動機在4種不同工況下運行時，增壓器渦輪的轉速、進口溫度、出口溫度、流量等參數。采用有限元法計算得到發動機在4種工況下運行時，鈦鋁合金增壓器渦輪葉片危險部位的應力及溫度值(見表2)。

表2 鈦鋁合金增壓器渦輪葉片危險部位的應力及溫度值

由式(1)可知，在恒定溫度T與恒定應力s作用下，鈦鋁合金增壓器渦輪對應葉片持久斷裂失效模式的單位小時損傷量為

式中：t(T,s)表示鈦鋁合金渦輪對應溫度T和應力s時的高溫持久壽命。

根據線性累積損傷法則，鈦鋁合金增壓器渦輪在N個不同的溫度與應力作用下對應葉片持久斷裂失效模式的累積損傷量可以表示為

式中：t(Ti,si)表示鈦鋁合金增壓器渦輪對應溫度Ti和應力si時的高溫持久壽命；ti為渦輪在溫度為Ti和應力為si的條件下工作的時間。

結合圖7所示的發動機耐久性臺架考核試驗剖面，運用式(3)可以得到在發動機耐久性臺架考核試驗剖面的一次試驗循環(試驗時間為10 h)過程中，鈦鋁合金增壓器渦輪對應葉片持久斷裂失效模式的累積損傷量為

進一步可以得到以發動機耐久性考核試驗剖面循環次數為壽命度量指標時，鈦鋁合金增壓器渦輪對應葉片持久斷裂失效模式的壽命為

將表2所示的鈦鋁合金增壓器渦輪葉片危險部位的應力及溫度值代入式(5)，可以得到該鈦鋁合金增壓器渦輪對應葉片持久斷裂失效模式的壽命為260 430次發動機耐久性考核試驗剖面循環，高于渦輪增壓器的實際服役壽命。因此，可以確定該型鈦鋁合金增壓器渦輪在實際使用過程中不會發生葉片持久斷裂失效，能夠滿足使用要求。

4 結束語

針對徑流式車用鈦鋁合金增壓器渦輪，分析了渦輪的載荷與應力空間分布特征；根據渦輪的應力與熱載荷分布特征，指出葉片高溫持久斷裂是鈦鋁合金增壓器渦輪的潛在失效模式之一。

研究了鈦鋁合金增壓器渦輪的高溫持久性能，采取鈦鋁合金渦輪取樣，設計了高溫持久性能試驗樣件，根據試驗結果給出了鈦鋁合金增壓器渦輪高溫持久壽命同應力與溫度之間的數學關系。

建立了基于發動機耐久性臺架考核試驗剖面的鈦鋁合金增壓器渦輪葉片高溫持久壽命預測模型，并對某型鈦鋁合金渦輪壽命進行了評估；研究表明，該型鈦鋁合金增壓器渦輪葉片高溫持久壽命高于服役壽命，能夠滿足使用要求。

[1] 蔣德明.內燃機的渦輪增壓器[M]．北京：機械工業出版社，1986.

[2] 劉瑞林.柴油機高原環境適應性研究[M]．北京：北京理工大學出版社，2013.

[3] 李勝,朱春雷,王劍,等.有利于鈦鋁合金增壓渦輪可靠性的鑄造組織[J]．鑄造技術，2011,32(8):1075-1077.

[4] 門日秀,王秀娟,王正,等.增壓器TiAl合金渦輪超速破壞失效模式下的斷裂機理分析[C]//2011年全國機械行業可靠性技術學術交流會.大同：[出版者不詳]，2011：134-136.

[5] Tetsui T,Ono S.Endurance and composition and microstructure effects on endurance of TiAl used in turbochargers[J]．Intermetallics,1999(7):689-697.

[7] Toshimitsu Tetsui.Development of a TiAl turbocharger for passenger vehicles[J]．Materials Science and Engineering,2002,A329-331:582-588.

[8] 王增全,王正.車用渦輪增壓器結構可靠性[M]．北京：科學出版社,2013.

HighTemperatureLifePredictionofTiAlTurbineBladeforVehicleRadialTurbocharger

WANG Zheng1,LI Sheng2,YANG Ce3,ZHANG Wei4,LIU Jilin4

(1.Key Laboratory of Diesel Engine Turbocharging Technology,China North Engine Research Institute(Tianjin),Tianjin 300400,China;2.High Temperature Materials Division,China lron and Steel Research Institute Group,Beijing 100081,China;3.Institute of product development,Shanxi Diesel Engine Co.,Ltd.,Datong 037036,China;4.The Military Representative Office of PLA in 616 Factory,Datong 037036,China)

The spatial distribution characteristics of load and stress of turbine blade for the TiAl turbine of vehicle turbocharger were analyzed and the turbine blade fracture caused by high temperature was determined as one of the potential turbine failure modes. Then the high temperature rupture property of TiAl turbine was studied through test and the mathematical relationship between the high temperature life and the stress and temperature parameters was built. Based on the endurance test profile of vehicle engine, the high temperature life prediction model of TiAl turbine was further developed and the high temperature rupture life of TiAl turbine was predicted with the model. The result shows that the high temperature life of TiAl turbine is longer than the set service life, which can meet the application demands.

TiAl alloy;turbine;turbine blade;high temperature characteristic;life prediction

袁曉燕]

2017-10-12；

2017-12-01

國家自然科學基金項目(51375465)

王正(1981—)，男，研究員，博士，主要研究方向為渦輪增壓器結構可靠性、柴油機可靠性技術、機械可靠性理論及應用；wzneu@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.015

TK423.5

B

1001-2222(2017)06-0075-04