淺談航空發動機材料和工藝安全性評估

李翔，李雪罡，張萌

（中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

航空發動機作為典型熱動力機械設備，具有氣動負荷大、機械負荷高、對耐久性要求高的特點，由多個精密零部件構成，其可靠性水平以及使用性能密切關系到飛機的飛行安全以及整體性能水平。本文針對航空發動機材料和工藝的安全性評估問題展開研究與分析，希望能夠引起業內人士的關注與重視。

1 材料工藝與航空發動機性能、質量、可靠性關系

眾所周知，新型材料工藝對航空發動機關鍵結構部件競爭實力的提升產生了重要影響，相關制備技術的改進對于航空發動機推重比的提高有重要意義。隨著相關經驗的不斷累積，航空發動機質量與可靠性對材料工藝可靠性水平的依賴正不斷加大，產品失效與設計工藝存在的關聯性也不斷提升。由此可見，促進材料工藝可靠性水平的提升對提高航空發動機可靠性水平至關重要，圍繞材料工藝的可靠性問題進行研究關系到安全性評估的水平，更對降低研制風險、提高發動機可靠性水平有重要影響。

2 材料工藝可靠性分析

為促進航空發動機產品可靠性水平的提升，必須從研制階段開始將可靠性工程理念貫穿至使用環節。可靠性工程理念的核心是將產品可靠性水平的保障與提升作為目標，以既有資源條件為約束，對各類故障進行最大限度的控制與修正。在這一工程理念實踐過程中，可靠性設計的重要性是相當突出的，其本質是從產品性能、使用、維修、費用等多個方面入手予以綜合把控與平衡，以確保產品達到最優設計狀態，而材料與工藝正是其中的基礎與核心所在。換言之，航空發動機材料工藝安全性的評估對于保障產品設計可靠性水平具有重要意義。

從材料性能評價指標的角度上來說，在對不同航空發動機材料疲勞性能進行綜合比選時，往往以材料疲勞數據對數平均值為首選指標，認為在應力水平同等的前提下，中值壽命較長（即平均對數壽命較長）的材料具備更良好的疲勞性能，且省略了對數據分散性的比較。但實際情況是，針對航空發動機材料的疲勞試驗結果往往會呈現出較大的分散性特征，在載荷作用力一致的情況下，疲勞數據高值與低值間可能存在百倍以上的差異，因此，其分散性水平從一定程度上可以體現航空發動機材料的性能水平以及工藝技術的穩定性水平，是評估材料疲勞性能的重要參量之一。

對于航空發動機而言，材料工藝之所以出現失效問題，核心原因可以解釋為應力與強度干涉因素。對于航空發動機結構構件而言，為確保其實際應用的可靠性水平，強度應當高于外部荷載所致總應力水平。零部件是否存在失效問題，不但受到應力與強度平均值的影響，還與應力、強度分布規律存在密切關聯性。

一般來說，在強度高于應力且剔除干涉、重疊問題的情況下，零件不會產生失效問題。若考慮存在干涉或重疊問題，則相應零件也就存在一定的失效可能性。從這一角度上來說，對航空發動機材料和工藝可靠性問題研究的核心就是引入損傷容限思想，盡可能規避因工藝技術或材料構件自身所致的強度、應力干涉問題。

這里所提到的損傷容限思想是指：對于航空發動機材料構件而言，在服役前肯定受到初始缺陷的影響，構件的總壽命實質上由初始缺陷或裂紋擴展至臨界裂紋的壽命決定。受到工藝技術局限性的影響，航空發動機材料或某些關鍵構件中必然存在一些微觀缺陷，如氣孔、夾雜等，加工環節中相關技術應用也可能導致材料表面出現加工缺陷，或因殘余應力、表面組織狀態等因素對材料疲勞抗力產生一定程度的影響。在此過程中，引入損傷容限設計思想的核心就是將航空發動機材料中初始缺陷群等效視作非實體的當量初始裂紋。在此基礎上，受到加工條件差異性的因素影響，航空發動機材料所表現出的缺陷尺寸、形狀以及類型也會呈現出一定的分散性，等效化當量初始裂紋尺寸也會服從一定的概率分布規律。

多數情況下，斷裂失效與疲勞損傷存在一定的相關性關系，疲勞損傷是以應力、應變幅度以及疲勞循環次數曲線為理論基礎的，并引入失效概率或者存活率，納入對平均應力因素的考量，以生成疲勞損傷估算可靠度的置信區間。盡管如此，基于對航空發動機材料性能參數分布的不確定性、尺寸構件在設計公差范疇內的波動變化，以及基于斷裂學理論下航空發動機材料初始損傷程度估計不確定性等相關因素的考量，材料性能失效也存在一定的不確定性。可靠性研究的核心就是明確航空發動機材料存在的這些不確定性因素并進行規避，使其能夠包容可能因載荷作用力隨機變化所導致的危險應力點應力不確定性問題。

3 材料工藝可靠性研究方向

（1）新材料在工程應用條件下的損傷機理研究。隨著航空發動機綜合性能的不斷提高，相關材料所處的工作環境條件將更加的嚴苛與惡劣，因此，在新材料開發中，必須不斷提高其性能水平，以滿足航空發動機的使用需求，如定向、單晶合金材料、鈦合金材料、粉末高溫合金材料等。在工程應用中，受到新材料制造加工工藝的影響，其表現出的損傷形式與特征呈現出了一定的特殊性。以定向凝固合金材料為例，在材料制作中選用定向凝固工藝，依托于晶粒擇優取向的特征能夠獲得良好的力學性能，但與此同時，受到凝固工藝定向性的影響，導致此類材料在疲勞斷裂表現上呈現出一定的特殊性，以大面積滑移平面特征為主。作為航空發動機的關鍵熱端部件之一，渦輪盤需要承載復雜載荷作用力，在其使用溫度范疇內應當具備良好的抗蠕變性能以及低循環疲勞性能。與此同時，渦輪前溫度會伴隨航空發動機推重比的提高而不斷升高，致使渦輪盤承載溫度持續提升，應用粉末高溫合金材料則能夠很好地彌補該問題。可通過對航空發動機工程應用條件下損傷機理的研究，為結構分析體系提供參數支持，同時，為關鍵材料部件在使用期間的失效問題提供技術儲備，對保障零件應用安全可靠有重要意義與價值。

（2）單晶、定向合金材料及其涂層損傷本構關系。單晶、定向合金表現出了良好的抗疲勞性能以及抗高溫蠕變性能，在實際應用中，對提高發動機渦輪前溫度、改善推重有非常重要的意義。既往研究表明：在航空發動機運行溫度持續升高的過程中，部分高性能發動機工作溫度已經鄰近高溫合金材料熔點，這一狀態下為盡可能保障材料仍然具備良好的抗氧化性能以及相對穩定性，需要嘗試應用熱障涂層技術進行隔熱處理，以確保在極高溫運行狀態下航空發動機葉片仍然具備良好的安全性與可靠性。目前，此類材料已經被廣泛應用于工程實踐環節。以航空發動機葉片為例，在實際使用過程中所承受的熱載荷/力載荷是非常復雜的。尤其對于單晶、定向凝固合金材料而言，為促進葉片使用中的可靠性水平，就必須將帶涂層高性能發動機葉片性能整體優化設計作為重要關注對象，盡可能挖掘提高葉片性能的舉措，對葉片單晶、定向異型材料存在的損傷本構關系進行深入研究，以形成各向異型材料在考慮界面效應情況下受復雜力/熱載荷作用影響的本構關系模型。有關這一問題的研究也是航空發動機葉片可靠性設計的基礎問題，在評估材料力學性能，對材料耐久性與適用性問題進行研究的過程中有重要意義，還可以作為航空發動機葉片材料壽命預測模型的力學基礎。

4 結語

本文從航空發動機材料以及工藝安全性評估的角度入手，對航空發動機材料及其相關工藝與航空發動機性能、質量、可靠性的相關性關系進行分析，并研究材料工藝的可靠性水平，最后，對材料工藝可靠性的研究方向進行闡述，僅供參考。