淺談航空發(fā)動機(jī)材料和工藝安全性評估

李翔，李雪罡，張萌

（中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120）

航空發(fā)動機(jī)作為典型熱動力機(jī)械設(shè)備，具有氣動負(fù)荷大、機(jī)械負(fù)荷高、對耐久性要求高的特點，由多個精密零部件構(gòu)成，其可靠性水平以及使用性能密切關(guān)系到飛機(jī)的飛行安全以及整體性能水平。本文針對航空發(fā)動機(jī)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(yè)內(nèi)人士的關(guān)注與重視。

1 材料工藝與航空發(fā)動機(jī)性能、質(zhì)量、可靠性關(guān)系

眾所周知，新型材料工藝對航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件競爭實力的提升產(chǎn)生了重要影響，相關(guān)制備技術(shù)的改進(jìn)對于航空發(fā)動機(jī)推重比的提高有重要意義。隨著相關(guān)經(jīng)驗的不斷累積，航空發(fā)動機(jī)質(zhì)量與可靠性對材料工藝可靠性水平的依賴正不斷加大，產(chǎn)品失效與設(shè)計工藝存在的關(guān)聯(lián)性也不斷提升。由此可見，促進(jìn)材料工藝可靠性水平的提升對提高航空發(fā)動機(jī)可靠性水平至關(guān)重要，圍繞材料工藝的可靠性問題進(jìn)行研究關(guān)系到安全性評估的水平，更對降低研制風(fēng)險、提高發(fā)動機(jī)可靠性水平有重要影響。

2 材料工藝可靠性分析

為促進(jìn)航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)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(huán)節(jié)?？煽啃怨こ汤砟畹暮诵氖菍a(chǎn)品可靠性水平的保障與提升作為目標(biāo)，以既有資源條件為約束，對各類故障進(jìn)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(shè)計的重要性是相當(dāng)突出的，其本質(zhì)是從產(chǎn)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(chǎn)品達(dá)到最優(yōu)設(shè)計狀態(tài)，而材料與工藝正是其中的基礎(chǔ)與核心所在。換言之，航空發(fā)動機(jī)材料工藝安全性的評估對于保障產(chǎn)品設(shè)計可靠性水平具有重要意義。

從材料性能評價指標(biāo)的角度上來說，在對不同航空發(fā)動機(jī)材料疲勞性能進(jìn)行綜合比選時，往往以材料疲勞數(shù)據(jù)對數(shù)平均值為首選指標(biāo)，認(rèn)為在應(yīng)力水平同等的前提下，中值壽命較長（即平均對數(shù)壽命較長）的材料具備更良好的疲勞性能，且省略了對數(shù)據(jù)分散性的比較。但實際情況是，針對航空發(fā)動機(jī)材料的疲勞試驗結(jié)果往往會呈現(xiàn)出較大的分散性特征，在載荷作用力一致的情況下，疲勞數(shù)據(jù)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(xiàn)航空發(fā)動機(jī)材料的性能水平以及工藝技術(shù)的穩(wěn)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(fā)動機(jī)而言，材料工藝之所以出現(xiàn)失效問題，核心原因可以解釋為應(yīng)力與強(qiáng)度干涉因素。對于航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，為確保其實際應(yīng)用的可靠性水平，強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)高于外部荷載所致總應(yīng)力水平。零部件是否存在失效問題，不但受到應(yīng)力與強(qiáng)度平均值的影響，還與應(yīng)力、強(qiáng)度分布規(guī)律存在密切關(guān)聯(lián)性。

一般來說，在強(qiáng)度高于應(yīng)力且剔除干涉、重疊問題的情況下，零件不會產(chǎn)生失效問題。若考慮存在干涉或重疊問題，則相應(yīng)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(fā)動機(jī)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(guī)避因工藝技術(shù)或材料構(gòu)件自身所致的強(qiáng)度、應(yīng)力干涉問題。

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

多數(shù)情況下，斷裂失效與疲勞損傷存在一定的相關(guān)性關(guān)系，疲勞損傷是以應(yīng)力、應(yīng)變幅度以及疲勞循環(huán)次數(shù)曲線為理論基礎(chǔ)的，并引入失效概率或者存活率，納入對平均應(yīng)力因素的考量，以生成疲勞損傷估算可靠度的置信區(qū)間。盡管如此，基于對航空發(fā)動機(jī)材料性能參數(shù)分布的不確定性、尺寸構(gòu)件在設(shè)計公差范疇內(nèi)的波動變化，以及基于斷裂學(xué)理論下航空發(fā)動機(jī)材料初始損傷程度估計不確定性等相關(guān)因素的考量，材料性能失效也存在一定的不確定性?？煽啃匝芯康暮诵木褪敲鞔_航空發(fā)動機(jī)材料存在的這些不確定性因素并進(jìn)行規(guī)避，使其能夠包容可能因載荷作用力隨機(jī)變化所導(dǎo)致的危險應(yīng)力點應(yīng)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(yīng)用條件下的損傷機(jī)理研究。隨著航空發(fā)動機(jī)綜合性能的不斷提高，相關(guān)材料所處的工作環(huán)境條件將更加的嚴(yán)苛與惡劣，因此，在新材料開發(fā)中，必須不斷提高其性能水平，以滿足航空發(fā)動機(jī)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(yīng)用中，受到新材料制造加工工藝的影響，其表現(xiàn)出的損傷形式與特征呈現(xiàn)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(yōu)取向的特征能夠獲得良好的力學(xué)性能，但與此同時，受到凝固工藝定向性的影響，導(dǎo)致此類材料在疲勞斷裂表現(xiàn)上呈現(xiàn)出一定的特殊性，以大面積滑移平面特征為主。作為航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵熱端部件之一，渦輪盤需要承載復(fù)雜載荷作用力，在其使用溫度范疇內(nèi)應(yīng)當(dāng)具備良好的抗蠕變性能以及低循環(huán)疲勞性能。與此同時，渦輪前溫度會伴隨航空發(fā)動機(jī)推重比的提高而不斷升高，致使渦輪盤承載溫度持續(xù)提升，應(yīng)用粉末高溫合金材料則能夠很好地彌補(bǔ)該問題?？赏ㄟ^對航空發(fā)動機(jī)工程應(yīng)用條件下?lián)p傷機(jī)理的研究，為結(jié)構(gòu)分析體系提供參數(shù)支持，同時，為關(guān)鍵材料部件在使用期間的失效問題提供技術(shù)儲備，對保障零件應(yīng)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(gòu)關(guān)系。單晶、定向合金表現(xiàn)出了良好的抗疲勞性能以及抗高溫蠕變性能，在實際應(yīng)用中，對提高發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)運行溫度持續(xù)升高的過程中，部分高性能發(fā)動機(jī)工作溫度已經(jīng)鄰近高溫合金材料熔點，這一狀態(tài)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(wěn)定性，需要嘗試應(yīng)用熱障涂層技術(shù)進(jìn)行隔熱處理，以確保在極高溫運行狀態(tài)下航空發(fā)動機(jī)葉片仍然具備良好的安全性與可靠性。目前，此類材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程實踐環(huán)節(jié)。以航空發(fā)動機(jī)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(fù)雜的。尤其對于單晶、定向凝固合金材料而言，為促進(jìn)葉片使用中的可靠性水平，就必須將帶涂層高性能發(fā)動機(jī)葉片性能整體優(yōu)化設(shè)計作為重要關(guān)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(gòu)關(guān)系進(jìn)行深入研究，以形成各向異型材料在考慮界面效應(yīng)情況下受復(fù)雜力/熱載荷作用影響的本構(gòu)關(guān)系模型。有關(guān)這一問題的研究也是航空發(fā)動機(jī)葉片可靠性設(shè)計的基礎(chǔ)問題，在評估材料力學(xué)性能，對材料耐久性與適用性問題進(jìn)行研究的過程中有重要意義，還可以作為航空發(fā)動機(jī)葉片材料壽命預(yù)測模型的力學(xué)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文從航空發(fā)動機(jī)材料以及工藝安全性評估的角度入手，對航空發(fā)動機(jī)材料及其相關(guān)工藝與航空發(fā)動機(jī)性能、質(zhì)量、可靠性的相關(guān)性關(guān)系進(jìn)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(jìn)行闡述，僅供參考。