FOD對(duì)TC4合金擴(kuò)散焊板材HCF性能影響

李百洋，劉小剛，郭海丁

（南京航空航天大學(xué)江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016）

0 引言

高推重比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的主要設(shè)計(jì)任務(wù)是綜合考慮氣動(dòng)、質(zhì)量、振動(dòng)、噪聲、結(jié)構(gòu)完整性和可靠性以及制造成本等因素，擇優(yōu)選擇設(shè)計(jì)方案。作為先進(jìn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件的鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)就是滿足上述設(shè)計(jì)要求的范例[1-2]。目前，國(guó)外大多數(shù)先進(jìn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)均采用第2代寬弦空心風(fēng)扇葉片，該寬弦空心風(fēng)扇葉片由RR公司研制，采用鈦合金3層結(jié)構(gòu)的超塑成形/擴(kuò)散連接（SPF/DB）組合工藝制成[3-7]。在寬弦空心風(fēng)扇葉片高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，高速氣流經(jīng)常將飛石、砂礫、冰塊等異物吸入發(fā)動(dòng)機(jī)氣流通道，打傷寬弦空心葉片，大大縮短葉片的使用壽命，這種由外來(lái)物造成的破壞或損傷統(tǒng)稱為損傷外物[8]（Foreign Object Damage，簡(jiǎn)稱FOD）。主要表現(xiàn)為葉片局部區(qū)域出現(xiàn)缺口、撕裂和凹坑等形式，并發(fā)生應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力及剪切帶等現(xiàn)象，甚至形成初始裂紋，更有甚者，葉片可能直接被打斷[9]。

國(guó)外針對(duì)FOD后實(shí)心葉片的力學(xué)性能影響已經(jīng)開(kāi)展了大量研究。Ruschau等[10]通過(guò)模擬實(shí)際的FOD，表明有角度沖擊比0°沖擊危害更大；Thompson等[11]研究了不同沖擊速度對(duì)FOD特征的影響，表明不同沖擊速度會(huì)造成不同的沖擊損傷形貌特征；Boyce和Duó等[12-13]對(duì)FOD的沖擊殘余應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，表明沖擊速度不同，殘余應(yīng)力具有較大差異。國(guó)內(nèi)在風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片F(xiàn)OD方面開(kāi)展的研究工作非常有限。潘輝等[14]對(duì)FOD試驗(yàn)?zāi)M的方法種類及其優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍進(jìn)行了詳細(xì)描述；喬文逍等[15]曾在壓氣機(jī)葉片上開(kāi)鑿了Kt=3的人工缺口，在發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)上進(jìn)行初步試驗(yàn)；關(guān)玉璞、陳偉等[16]全面介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片F(xiàn)OD的現(xiàn)狀，并提出國(guó)內(nèi)進(jìn)行葉片F(xiàn)OD的研究方向。

與實(shí)心葉片相比，寬弦空心風(fēng)扇葉片受沖擊的典型部位為3層板擴(kuò)散焊結(jié)構(gòu)。當(dāng)其FOD后，除了對(duì)沖擊表面造成損傷，內(nèi)部擴(kuò)散焊縫是否受到影響，從而是否對(duì)葉片疲勞強(qiáng)度造成影響，尚不清楚。

本文設(shè)計(jì)了3層板形式的TC4合金擴(kuò)散焊試樣，對(duì)其進(jìn)行FOD及HCF試驗(yàn)，以研究FOD對(duì)TC4合金擴(kuò)散焊結(jié)構(gòu)HCF強(qiáng)度影響特點(diǎn)，為寬弦空心風(fēng)扇葉片的強(qiáng)度評(píng)估提供參考。

1 FOD模擬試驗(yàn)及損傷分析

1.1 試驗(yàn)件及試驗(yàn)方案

本文考慮寬弦空心風(fēng)扇葉片實(shí)際工作中最易受沖擊的典型部位如圖1所示。設(shè)計(jì)并加工了擴(kuò)散焊平板模擬件（如圖2所示），可以反映實(shí)際葉片的結(jié)構(gòu)及力學(xué)特征。其擴(kuò)散焊連接溫度為910℃，連接壓力為3.4 MPa，保溫時(shí)間為60 min。擴(kuò)散連接后的鈦板通過(guò)機(jī)械加工得到如圖2（b）所示的平板試件，所有試件經(jīng)過(guò)超聲波探傷檢測(cè)內(nèi)部焊縫質(zhì)量合格。

圖1 葉片沖擊典型部位

采用空氣炮法對(duì)擴(kuò)散焊平板件進(jìn)行FOD試驗(yàn)。沖擊用鋼珠密度為7850 kg/m3，直徑為4 mm，總體試驗(yàn)沖擊速度為300 m/s。針對(duì)擴(kuò)散焊3層板進(jìn)行面心沖擊，并設(shè)定 25°、40°和80°3種沖擊角度，在每種角度下進(jìn)行2組試驗(yàn)，以系統(tǒng)研究FOD對(duì)空心風(fēng)扇葉片的影響，沖擊角度定義如圖3所示。

圖2 TC4合金擴(kuò)散焊結(jié)構(gòu)試件

圖3 沖擊角度定義

1.2 FOD試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)沖擊后的擴(kuò)散焊平板件采用光學(xué)顯微鏡放大50倍下對(duì)FOD部位進(jìn)行觀察，如圖4所示。從圖中可見(jiàn)，在25°沖擊下，損傷缺口較為扁平，在入射端損傷缺口較為光滑，而在出射端損傷處可明顯觀察到因擠壓而呈現(xiàn)的沙灘狀條帶；在80°沖擊下，損傷缺口較為圓整光亮，近似為圓。

對(duì)FOD損傷形貌進(jìn)行觀察的同時(shí)，對(duì)損傷缺口進(jìn)行尺寸測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。表中：l1為彈坑長(zhǎng)度；l2為彈坑寬度；d為彈坑深度；Φ為鋼珠直徑。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在上述3種不同沖擊條件下，彈坑寬度較為接近，約占鋼珠直徑的60%～70%，而彈坑長(zhǎng)度隨沖擊角度的變化差異較大，與鋼珠直徑比值在60%～115%之間變化，尤其在25°沖擊角度下，彈坑長(zhǎng)度已超過(guò)鋼珠直徑。說(shuō)明25°沖擊角度帶來(lái)的材料表面損傷最為嚴(yán)重。

圖4 沖擊面心損傷形貌及測(cè)量

表1 擴(kuò)散焊平板件沖擊面心FOD幾何尺寸

1.3 FOD損傷切片觀測(cè)

為了進(jìn)一步研究沖擊角度對(duì)擴(kuò)散焊結(jié)構(gòu)的影響，選取25°和80°沖擊試驗(yàn)件進(jìn)行切片顯微觀測(cè)，將2個(gè)試件沿?fù)p傷處按坐標(biāo)軸（如圖5所示）所在方向切片，然后在100倍放大鏡下觀察A、B、C處的焊縫情況。

圖5 擴(kuò)散焊平板件損傷截面坐標(biāo)

沖擊角度為25°條件下試件切割后在掃描電鏡下1/4斷面放大如圖6所示。從圖中可見(jiàn)，根據(jù)尺寸測(cè)量直接找到焊縫層，焊縫開(kāi)裂痕跡明顯，且開(kāi)裂點(diǎn)稍偏于沖擊損傷正下方，對(duì)焊縫開(kāi)裂層局部放大，焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象較明顯，且在遠(yuǎn)離損傷位置處焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象逐漸消失。

沖擊角度為80°條件下試件切割后試樣1/4斷面放大如圖7所示。在低倍下沒(méi)有觀察到明顯焊縫開(kāi)裂，但對(duì)焊縫層局部放大可觀察到焊縫微小損傷。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該角度下FOD對(duì)焊縫層影響相對(duì)較小。

圖6 25°沖擊試件切割后1/4斷面放大

圖7 80°沖擊試件切割后1/4斷面放大

綜合分析，對(duì)于硬物沖擊擴(kuò)散焊平板件時(shí)面心處，25°沖擊對(duì)試件造成的損傷最嚴(yán)重，80°沖擊對(duì)試件造成損傷相對(duì)較小。且通過(guò)切片觀察發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OD對(duì)二者焊縫損傷情況也有所不同。

2 FOD后擴(kuò)散焊試樣HCF疲勞強(qiáng)度及結(jié)果分析

對(duì)FOD后的擴(kuò)散焊試件開(kāi)展HCF強(qiáng)度試驗(yàn)。選擇106循環(huán)作為HCF強(qiáng)度試驗(yàn)的壽命指標(biāo)，試驗(yàn)方法采用逐級(jí)加載法。首先初步估計(jì)試件在106循環(huán)壽命下的HCF強(qiáng)度，然后進(jìn)行試驗(yàn)。如果試樣在首個(gè)106循環(huán)內(nèi)發(fā)生疲勞失效，則認(rèn)為試驗(yàn)失敗，需要更換試樣重新開(kāi)始試驗(yàn)，并降低首次加載的循環(huán)載荷水平。如果試樣在首個(gè)106循環(huán)內(nèi)沒(méi)有失效，則在施加的最大循環(huán)應(yīng)力基礎(chǔ)上增加1個(gè)小的載荷增量（本試驗(yàn)均取初始試驗(yàn)載荷的10%），繼續(xù)對(duì)該試樣進(jìn)行106次循環(huán)加載。如果試樣在106循環(huán)內(nèi)仍未發(fā)生疲勞失效，則增加1個(gè)載荷增量后繼續(xù)下一個(gè)106次循環(huán)加載，直至試樣在某個(gè)106循環(huán)內(nèi)發(fā)生疲勞失效，則試驗(yàn)結(jié)束。假設(shè)試樣發(fā)生疲勞失效的最后載荷步循環(huán)次數(shù)為Nfail（＜106循環(huán)），發(fā)生失效的前一個(gè)載荷步的最大循環(huán)應(yīng)力為σpr，那么試件106循環(huán)壽命的HCF強(qiáng)度σe為

HCF強(qiáng)度試驗(yàn)循環(huán)應(yīng)力比R=0.1，加載頻率為30 Hz。加載方式為軸向加載的拉伸疲勞試驗(yàn)，初始載荷設(shè)定為180 MPa。所有HCF試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。對(duì)于HCF試驗(yàn)，疲勞裂紋擴(kuò)展壽命占總疲勞壽命的比例較小，所以本文以試件發(fā)生疲勞斷裂作為試件疲勞失效的標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 FOD擴(kuò)散焊3層板試件斷后照片

圖9 沖擊面心鋼珠入射及出射路徑

2.1 試驗(yàn)斷口分析

部分失效試件如圖8所示。從圖中可見(jiàn)，在所有試件失效斷裂位置均未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形，屬于脆性斷裂。比較發(fā)現(xiàn)所有試件疲勞失效均發(fā)生在沖擊彈坑所在截面，疲勞源均起源于沖擊彈坑邊緣（出射面一側(cè)），且疲勞裂紋自損傷處沿鋼珠出射方向擴(kuò)展（斷口平直部分），其中鋼珠入射出射路徑如圖9所示。由上文沖擊損傷形貌觀察發(fā)現(xiàn)，彈坑在出射方向會(huì)出現(xiàn)材料堆積和丟失，并且出射面區(qū)域存在許多微小裂紋，而入射面區(qū)域較為平整光滑。因此出射面區(qū)域材料損傷程度比入射面區(qū)域的大，這也是造成初期疲勞裂紋從彈坑出射面一側(cè)萌生并擴(kuò)展的主要原因。隨著裂紋不斷擴(kuò)展，材料剩余面積越來(lái)越小，當(dāng)材料無(wú)法承受載荷的作用時(shí)發(fā)生瞬間斷裂。觀察斷口發(fā)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)展時(shí)均伴隨著擴(kuò)散焊縫的撕裂。

2.2 FOD對(duì)擴(kuò)散焊板件HCF強(qiáng)度影響分析

在研究FOD對(duì)材料性能影響時(shí)，通常引入疲勞缺口系數(shù)Kf表征缺口對(duì)材料的疲勞強(qiáng)度的影響程度。Kf越大，表示損傷對(duì)試件疲勞性能影響越大。Kf定義為[17]

為獲得Kf，本文同樣通過(guò)逐級(jí)加載法測(cè)定TC4合金擴(kuò)散焊光滑試件疲勞強(qiáng)度為647.5 MPa。并根據(jù)Kf定義式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到不同沖擊角度下的Kf值。TC4合金擴(kuò)散焊缺口試件疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可見(jiàn)，所有FOD后試樣的疲勞強(qiáng)度均低于300 MPa，這一數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于3層板擴(kuò)散焊光滑試樣的平均疲勞強(qiáng)度，說(shuō)明由于FOD的作用使得TC4合金擴(kuò)散焊平板試樣的疲勞強(qiáng)度明顯降低，此外，F(xiàn)OD后Kf均較大，達(dá)到3左右。

表2 TC4合金擴(kuò)散焊3層板光滑件及缺口件HCF強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硬物以同一速度沖擊面心時(shí)，沖擊角度為25°時(shí)的失效最大應(yīng)力低于其他角度下的，同時(shí)疲勞缺口系數(shù)也高于其他角度下的，說(shuō)明25°時(shí)FOD對(duì)擴(kuò)散焊平板疲勞性能造成的影響最為嚴(yán)重。

對(duì)TC4合金原材料FOD前后的HCF強(qiáng)度也進(jìn)行了試驗(yàn)。其疲勞缺口系數(shù)和擴(kuò)散焊3層板的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可見(jiàn)，無(wú)論在何種沖擊條件下，F(xiàn)OD后擴(kuò)散焊平板試件疲勞缺口系數(shù)明顯大于TC4合金原材料FOD后試件的，HCF強(qiáng)度均低于受同等沖擊的TC4合金原材料試樣的。表明擴(kuò)散焊平板件FOD后的損傷程度要大于TC4合金原材料試件的。進(jìn)而表明FOD不僅會(huì)對(duì)材料表面造成損傷形成缺口，還將對(duì)焊縫造成一定程度損傷，二者共同作用會(huì)使擴(kuò)散焊板的HCF強(qiáng)度大幅降低。

表3 擴(kuò)散焊及原材料FOD疲勞缺口系數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

針對(duì)TC4合金3層擴(kuò)散焊板件開(kāi)展了FOD試驗(yàn)與FOD后的HCF強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)論如下：

（1）以3種不同角度沖擊3層擴(kuò)散焊板件中心，F(xiàn)OD會(huì)在TC4合金擴(kuò)散焊平板件材料表面造成損傷，其中25°沖擊時(shí)造成的損傷最嚴(yán)重。

（2）對(duì)于TC4合金3層擴(kuò)散焊板，F(xiàn)OD后不僅會(huì)在材料表面形成缺口，還會(huì)對(duì)內(nèi)部焊縫造成以焊縫開(kāi)裂為主的額外損傷。

（3）TC4合金3層擴(kuò)散焊板件FOD后的疲勞缺口系數(shù)要遠(yuǎn)高于TC4合金原材料FOD試件。