论文部分内容阅读
航空发动机工作时,在高频振动应力作用下的风扇和压气机叶片容易受到随气流进入的硬质颗粒的撞击,形成外物损伤(FOD)。在交变载荷的反复作用下,疲劳裂纹容易萌生并快速扩展,导致叶片断裂失效,引起严重的飞行事故。本文通过空气炮采用不同直径钢球(Φ1、Φ2、Φ3和Φ4 mm)分别以不同冲击速度(200、250、300和350 m/s)对叶片用钛合金平板试样和模拟叶片进行外物损伤模拟试验,研究了钛合金材料在外物高速冲击下的损伤凹坑和显微组织变化,尤其是绝热剪切带的产生情况。采用步进法对外物损伤模拟叶片进行高周弯曲振动疲劳试验,研究其在不同外物损伤下的疲劳强度、疲劳裂纹萌生、扩展及其与绝热剪切带之间的关系。本研究为制定叶片损伤评价准则提供理论依据和数据支持,对抗外物损伤叶片的设计和外物损伤叶片的维修具有重要的工程意义。研究结果表明:(1)TC4钛合金平板试样受外物钢球的高速冲击,均造成表面凹坑损伤。随着钢球直径Φ和冲击速度ν的增大,其损伤凹坑的大小D和深度H均呈现增大的趋势。损伤凹坑存在擦伤、材料流变、材料丢失、剪切滑移等特征,甚至出现微小裂纹。(2)TC4钛合金材料受外物钢球高速冲击,因其变形极度不均匀性,均会产生绝热剪切带,造成其微观结构损伤。绝热剪切带主要分布在损伤凹坑边缘,几乎不出现在损伤凹坑底部,且与钢球冲击方向成45°角。随着钢球直径Φ和冲击速度ν的增大,绝热剪切带的数量、宽度和分叉倾向也随之增大。绝热剪切带的存在与损伤凹坑深度H有关,当损伤凹坑深度H大于约180μm时,其显微组织中一般存在绝热剪切带。(3)TC17钛合金模拟叶片在钢球高速冲击下造成损伤缺口。随着钢球直径Φ和冲击速度ν的增大,其损伤凹坑的宽度L1和深度L2均呈现增大的趋势。损伤缺口边缘存在材料折叠、材料流变、材料丢失和微小裂纹的特征。(4)外物损伤对叶片的疲劳强度有重要的影响。相较于冲击速度ν,钢球直径Φ对试样疲劳强度的影响更大。Φ3 mm钢球以不同速度冲击损伤试样的疲劳强度约为200 MPa,而Φ4mm钢球以不同速度冲击损伤试样的疲劳强度约为150 MPa。(5)外物损伤叶片在高周弯曲振动应力下的断裂表现出脆性解理特征,冲击造成的绝热剪切带是叶片疲劳失效的一个重要因素。部分疲劳断口的裂纹源处明显可见绝热剪切带,在裂纹扩展区有河流花样和疲劳弧线等宏观特征,以及解理台阶、脆性疲劳条带和二次裂纹等微观特征。