典型鈦合金離心葉輪裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)研究

趙鑫 劉宗暉

摘 要：為了研究含表面缺陷的典型鈦合金離心葉輪的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，在某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)離心葉輪上預(yù)制表面裂紋并進(jìn)行低循環(huán)疲勞壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，第一階段預(yù)制的平行于最大周向應(yīng)力的周向裂紋A.a在試驗(yàn)進(jìn)行到第二階段才完全沿軸向裂開，第二階段預(yù)制的垂直于最大主應(yīng)力方向的軸向裂紋B產(chǎn)生的自然萌生的裂紋長度已達(dá)7.52mm。可以認(rèn)為，輪盤中心孔位置的垂直于最大主應(yīng)力方向的軸向裂紋最易擴(kuò)展。根據(jù)斷口的定量分析，繪制da/dN曲線，可以預(yù)估含表面缺陷的典型鈦合金離心葉輪裂紋擴(kuò)展壽命，為其損傷容限設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī);表面缺陷;裂紋擴(kuò)展;損傷容限

中圖分類號(hào)：TG174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）08-0065-04

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航技術(shù)研究中，將其失效能夠引起發(fā)動(dòng)機(jī)危害性影響的部件定義為發(fā)動(dòng)機(jī)壽命限制件，如旋轉(zhuǎn)輪盤等，設(shè)計(jì)中主要通過降低壽命限制件的失效概率來提高整機(jī)的安全性[1]。CCAR-33-R2第33.70條明確規(guī)定，申請(qǐng)人必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿p傷容限評(píng)估，以確定在零件的批準(zhǔn)壽命期內(nèi)，由于材料、制造和使用引起的缺陷導(dǎo)致的潛在失效。

目前，在軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面，壽命限制件的確定性損傷容限設(shè)計(jì)有一定的基礎(chǔ)，但尚不能有效、全面支撐在研、現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，也無法轉(zhuǎn)化到民用發(fā)動(dòng)機(jī)上[2];而民用發(fā)動(dòng)機(jī)研制尚屬起步階段，缺少設(shè)計(jì)與審定經(jīng)驗(yàn)。總體上來說，國內(nèi)尚無形成一套系統(tǒng)、全面的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估設(shè)計(jì)體系，也沒有相應(yīng)的軟件工具和數(shù)據(jù)庫支持，嚴(yán)重影響和制約著我國民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證、適航取證等方面發(fā)展。此外，由于我國的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)章已升級(jí)為CCAR-33-R2版，其中增加了CCAR 33.70發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件條款，故需增加壽命期內(nèi)失效概率評(píng)估等新的技術(shù)手段以滿足適航要求。

為了研究含表面缺陷的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，本文在離心葉輪表面預(yù)制裂紋，進(jìn)行低循環(huán)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可為損傷容限設(shè)計(jì)提供參考。

1 裂紋預(yù)制方法

預(yù)制裂紋采用電火花加工。考慮到無損檢測(cè)的精度，初始裂紋長度為0.72mm。裂紋形貌為半橢圓形。

1.1 裂紋預(yù)制原則

裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)中選取能夠使裂紋擴(kuò)展速率最快的部位及開裂方向進(jìn)行初始裂紋預(yù)制。

1.2 裂紋預(yù)制位置及方向選取

圖1為離心葉輪起飛狀態(tài)徑向應(yīng)力與周向應(yīng)力分布圖，最大徑向應(yīng)力位置及最大周向應(yīng)力位置如圖1所示。

按照初始裂紋預(yù)制原則，如圖2所示，在最大徑向應(yīng)力位置布置垂直于徑向應(yīng)力方向的初始裂紋，在最大周向應(yīng)力位置布置垂直于周向應(yīng)力方向的初始裂紋。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)第一階段

2.1.1初始裂紋數(shù)量及分布

根據(jù)裂紋預(yù)制方法，初始裂紋在離心葉輪上的具體分布情況如圖3所示（紅點(diǎn)位置），裂紋預(yù)制位置對(duì)應(yīng)1.2節(jié)中指出的兩個(gè)高應(yīng)力點(diǎn)，為減小兩條預(yù)制裂紋之間的相互干擾，兩條裂紋相互錯(cuò)開。由于預(yù)制裂紋過程中，最大周向應(yīng)力位置布置垂直于周向應(yīng)力方向的初始裂紋A.a的裂紋方向?qū)嶋H是與最大周向應(yīng)力方向平行，因此不易擴(kuò)展，僅用于考察初始缺陷形式對(duì)裂紋萌生及擴(kuò)展的影響。

2.1.2試驗(yàn)情況

被試品試驗(yàn)到3000次、6000次、9000次、12000次和12518次裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)后停止試驗(yàn)。完成每個(gè)階段裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)后，將被試品與轉(zhuǎn)接段進(jìn)行分解，用體視鏡對(duì)被試品的預(yù)制裂紋進(jìn)行檢查，檢查情況見表1。

綜合各循環(huán)次數(shù)與預(yù)制裂紋檢查結(jié)果，考慮到計(jì)量誤差，兩個(gè)位置的預(yù)制裂紋幾乎沒有擴(kuò)展。

2.2試驗(yàn)第二階段

完成試驗(yàn)第一階段12518次循環(huán)后，經(jīng)計(jì)量檢測(cè)，第一階段預(yù)制的裂紋A.a和A.B尚未發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展。因此，在原內(nèi)孔裂紋的180°方向重新預(yù)制了一條更易擴(kuò)展的軸向方向的裂紋B（垂直于最大主應(yīng)力方向），見圖4，用于開展第二階段的試驗(yàn)。

試驗(yàn)循環(huán)數(shù)從0開始計(jì)算，試驗(yàn)進(jìn)行至（19500～19971）次階段，臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)位移由150μm增加至200μm，試驗(yàn)停止。

將被試品與轉(zhuǎn)接段進(jìn)行分解，用體視鏡對(duì)被試品的預(yù)制裂紋進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果見圖5～圖6，第一階段預(yù)制的周向裂紋A.a已經(jīng)自然萌生裂紋，且完全沿軸向方裂開，第二階段預(yù)制的軸向裂紋B也產(chǎn)生自然萌生裂紋，且已產(chǎn)生較大裂紋長度，長為7.52mm。

3斷口分析

周向裂紋A.a斷面打開后宏觀形貌見圖7a。斷面呈典型的扇形形貌，擴(kuò)展棱線清晰，裂紋從萌生到停車狀態(tài)所經(jīng)歷的循環(huán)數(shù)定量方向見圖中箭頭指示。體視顯微鏡下源區(qū)放大形貌見圖7b，可明顯看到擴(kuò)展棱線收斂于電火花預(yù)置缺陷的邊界;周向缺陷電火花加工痕跡為兩次，第二次比第一次深，位置稍有錯(cuò)動(dòng)。

軸向裂紋B斷面打開后，裂紋從萌生到停車狀態(tài)所經(jīng)歷的循環(huán)數(shù)定量方向見圖中箭頭指示。斷面呈典型的扇形形貌，擴(kuò)展棱線清晰。體視顯微鏡下形貌見圖8a，源區(qū)放大形貌見圖8b，可明顯看到擴(kuò)展棱線收斂于電火花預(yù)置缺陷的邊界。

將周向缺陷和軸向缺陷裂紋斷口用酒精做超聲波清洗后，放入掃描電鏡觀察并進(jìn)行疲勞區(qū)裂紋擴(kuò)展壽命定量計(jì)算。

周向缺陷裂紋斷面形貌見圖9，源區(qū)未見明顯的冶金缺陷;電火花加工痕跡為兩次，第二次比第一次深，位置稍有錯(cuò)動(dòng);第二次脈沖預(yù)制的裂紋孔內(nèi)可見微裂紋。斷面未見冶金缺陷。

軸向缺陷裂紋斷面形貌見圖10，源區(qū)未見明顯的冶金缺陷，電火花預(yù)制裂紋孔內(nèi)可見微裂紋，斷面未見冶金缺陷。

缺陷為電火花切割的線性缺陷，故認(rèn)定其斷口的疲勞擴(kuò)展在缺陷邊界是等壽命的，且疲勞擴(kuò)展過程中同一條擴(kuò)展弧線上的壽命是等同的，故本文選擇預(yù)置缺陷邊界為測(cè)定起點(diǎn)，連續(xù)測(cè)量裂紋沿著盤體縱向擴(kuò)展的疲勞條帶間距和距離源區(qū)邊界的距離，定量的方向見圖7a、圖8a。

疲勞擴(kuò)展壽命是斷面疲勞條帶數(shù)量總和，對(duì)應(yīng)每一次裂紋張開和閉合;與試驗(yàn)載荷譜的循環(huán)次數(shù)不一定有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。

采用列表梯形法[3]，即下面公式（1），對(duì)斷面疲勞裂紋所經(jīng)歷的擴(kuò)展壽命進(jìn)行定量分析計(jì)算。從預(yù)置缺陷的邊緣開始，在擴(kuò)展區(qū)內(nèi)沿著盤體縱向?qū)ζ跅l帶間距逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定。

將周向缺陷疲勞條帶測(cè)定的數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)列入表2;得到裂紋在該方向的裂紋擴(kuò)展速率da/dN與距斷口源區(qū)裂紋長度a的關(guān)系圖見圖11，利用公式（1）計(jì)算周向裂紋在該方向的疲勞擴(kuò)展壽命ΣNn為15743次循環(huán)。

將軸向缺陷疲勞條帶測(cè)定的數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)列入表3;得到裂紋在該方向的裂紋擴(kuò)展速率da/dN與距斷口源區(qū)裂紋長度a的關(guān)系見圖12，利用公式（1）計(jì)算軸向裂紋在該方向的疲勞擴(kuò)展壽命ΣNn為10688次循環(huán)。

4 結(jié)論

（1）輪盤中心孔位置的垂直于最大主應(yīng)力方向的軸向裂紋最易擴(kuò)展;

（2）檢測(cè)表面裂紋長度，根據(jù)da/dN曲線可以判斷典型鈦合金離心葉輪裂紋擴(kuò)展速率，預(yù)估典型鈦合金離心葉輪裂紋擴(kuò)展壽命;

（3）通過試驗(yàn)器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)臨界轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)位移是否產(chǎn)生穩(wěn)定的變化，可判斷典型鈦合金離心葉輪是否有裂紋。

參考文獻(xiàn)

[1] Song X，Sarkar P，Veronesi W.Virtual Inspection：Optimum Sample Size for POD Experiment[J].Quality Engineering，2002，14（4）：623-644.

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