碳纖維復合材料平板高速沖蝕試驗研究

王尚

摘 ? 要：航空發(fā)動機機匣材料的研究中，耐沖蝕性能是非常重要的，這直接關乎發(fā)動機的進氣性能、工作的性能以及其服役壽命。隨著碳纖維復合材料在航空發(fā)動機領域的應用越來越廣泛，對其耐沖蝕性能的研究十分不可或缺。本文通過對正交編織碳纖維復合材料平板進行高速沖蝕試驗，改變不同試驗參數(shù)（沖蝕速度、沖蝕角度等）并且與鈦合金、鋁合金材料的沖蝕情況進行對比，來對其耐沖蝕性能做出較為詳細的評價。

關鍵詞：沖蝕試驗 ?耐沖蝕性能 ?正交編織碳纖維復合材料 ?高速 ?對比

中圖分類號：TG52 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（a）-0106-05

Abstract： In the researches of the materials of aero-engine casings， the erosion characteristics are very important. The erosion characteristics have huge influences on intake performance， work performance and service life of the engines. With the wider applications of carbon fiber reinforced polymer in the aero-engines， the researches for the erosion characteristics of carbon fiber reinforced polymer have great significances. This research had high-speed erosion tests on orthogonal woven carbon fiber reinforced polymer plates， changed different experiment parameters （impact velocity， impact angle， etc.） and made comparisons with titanium alloy as well as aluminum alloy to acquire the erosion characteristics of orthogonal woven carbon fiber reinforced polymer in detail.

Key Words： Erosion test; Erosion characteristics; Orthogonal-woven carbon fiber reinforced polymer; High speed; Comparison

隨著航空發(fā)動機技術的進步，對航空發(fā)動機的耗油率、推重比、噪聲、安全以及穩(wěn)定性能提出了更嚴格的要求。在航空發(fā)動機中，復合材料的應用空間也越來越曠闊。由于碳纖維增強復合材料具有比較高的韌性以及強度，并且隨著其價格的不斷降低[1]，通用公司和GKN Aerospace公司從20世紀90年代開始共同研發(fā)碳纖維編織結構增強樹脂基復合材料的風扇機匣。GEnx發(fā)動機第一次采用了這種碳纖維復合材料硬壁風扇機匣。此外，CFMI公司研制的LEAP-X 發(fā)動機也采用了這種結構的風扇機匣[1]。這種結構的風扇機匣不僅在結構與工藝方面易于制作，而且尺寸精度也很高[2]。

飛機在不同的工況下飛行時，有時工作環(huán)境會十分惡劣。在如沙漠地區(qū)等含有大量砂礫的環(huán)境下工作時，這些砂礫可能會不停地沖擊機身表面，還有可能通過進氣道進入到發(fā)動機中。在這種惡劣的情況下長期工作，很容易發(fā)生零部件的沖蝕磨損甚至是損壞，影響飛機的氣流軌跡，惡化發(fā)動機的進氣性能，甚至會造成發(fā)動機的損傷，降低其工作性能，致使發(fā)動的使用壽命大大減少[3]。因此，對航空發(fā)動機機匣材料的研究，其耐沖蝕性能也極其重要，這直接關乎發(fā)動機的進氣性能、工作的性能以及其服役壽命。所以，隨著碳纖維復合材料在直升機粒子分離器以及航空發(fā)動機機匣等的應用越來越廣泛，對其耐沖蝕性能的研究十分不可或缺。Stachowiak等在其專著中總結出了針對固體粒子以不同沖蝕速度與不同沖蝕角度撞擊不同材料時材料所產(chǎn)生的主要失效形式其中包括磨損、疲勞、斷裂以及塑性變形等。

在復合材料的沖蝕性能研究方面，國內(nèi)總體還處于不完全成熟的狀態(tài);在國外研究人員有一定的研究成果。G.Drensky等人通過對聚合物基復合材料的沖蝕試驗，得到其沖蝕特性，試驗結果表明：在控制變量的情況下，沖蝕率隨沖蝕角度的變大先變大后變小，約在45°左右沖蝕率達到峰值;沖蝕率隨沖蝕固體粒子的直徑變大而變大;沖蝕率也隨著沖蝕粒子的沖擊速度變大而變大;沖蝕率隨著沖蝕粒子總質量的變大而變大;沖蝕率隨著環(huán)境溫度的上升而變小;復合材料編織方向為90°迎接沖蝕粒子的時候，沖蝕率會更大，但是比較0°的時候，變化不是很明顯，只有少量的增加。國內(nèi)劉奇等人通過試驗以及通過SPH模擬仿真分析，發(fā)現(xiàn)在其他條件均完全一致的情況下，被沖蝕的復合材料層合板的質量損失隨著沖蝕壓力的增大而增大;隨著沖蝕粒子總質量的增大而增大;隨著沖蝕角度的增大而增大;使用不同種類的沖蝕粒子沖蝕時造成的質量損失不同[4]。但是對于復合材料微觀下沖蝕失效的具體情況和宏觀的沖蝕形態(tài)，以及較高速情況下沖蝕的試驗研究都還沒有公布于眾的十分成熟的研究成果。

2 ?沖蝕試驗結果分析

2.1 沖蝕率

用沖蝕前試樣的質量減去沖蝕試驗后試件的質量，就可以得到?jīng)_蝕試樣的沖蝕損失質量。然后，我們可以定義沖蝕率E，其定義每克沖蝕顆粒沖蝕試樣后，試樣的沖蝕損失質量，其單位為g/g，其計算公式如下[9]：

分別做出試驗后三種材料的不同試樣的平均沖蝕率條形圖，如圖4所示。

圖中編號1-9、10-21、22-33表示前端沖蝕絕對壓力分別為0.19MPa、0.23MPa以及0.3MPa;編號1-3、10-13、22-25表示為碳纖維，編號4-6、14-17、26-29表示為鈦合金，編號7-9、18-21、30-33表示為鋁合金;編號10、14、18、22、26、30表示沖蝕角度為20°，編號1、4、7、11、15、19、23、27、31表示沖蝕角度為30°，編號2、5、8、12、16、20、24、28、32表示沖蝕角度為60°，編號3、6、9、13、17、21、25、29、33表示沖蝕角度為90°。結果為同一條件下多次試驗后選擇較好的試驗結果的平均值[10]。

從圖中可以觀察出，當前端的沖蝕壓力，即沖蝕速度保持一定時，鋁合金與鈦合金的沖蝕率隨著沖蝕角度的減小而增大。這可能是因為較低沖蝕角度時，粒子對鈦合金、鋁合金的表面具有較大的沖蝕面積，粒子與材料表面接觸面積更大。但是對于碳纖維復合材料，其沖蝕率隨著沖蝕角度的增大先變大然后變小，峰值處于30°與90°之間。此外，在相同沖蝕條件下，一般沖蝕角度從90°到60°時沖蝕率變化的絕對值是小于沖蝕角度從60°到30°時的。

從圖中還可以得到，這三種材料的沖蝕率都隨著沖蝕前端絕對壓力的變大而變大。這是因為當沖蝕前端壓力變大時，沖蝕粒子速度變大，沖蝕粒子所攜帶的沖擊能量也變大，從而使得材料的質量損失變大，最終使得沖蝕率變大。

同樣地，可以從圖中比較出：三種材料在相同的沖蝕環(huán)境與條件下，碳纖維復合材料沖蝕率最大，TC4鈦合金其次，2A12鋁合金沖蝕率最小。說明在耐沖蝕性能方面2A12鋁合金強于TC4鈦合金強于碳纖維復合材料。在我們選定的沖蝕條件下，碳纖維復合材料的沖蝕率數(shù)量級普遍在10-4，然而鋁合金與鈦合金材料的沖蝕率數(shù)量級普遍在10-5，即纖維復合材料的沖蝕率在一般情況下比鈦合金與鋁合金材料高一個數(shù)量級。比較鈦合金與鋁合金，TC4鈦合金硬度高于2A12鋁合金，其沖蝕率在相同情況下也是TC4鈦合金高于2A12的鋁合金，這可以作為一個例證。

2.2 宏觀沖蝕形態(tài)

由圖2可以看出，被沖蝕試件的最終沖蝕痕跡隨著沖蝕角度的變小，形狀也逐漸由近似圓形向近似為橢圓形的圖案變化，并且從沖蝕痕跡處可以大致區(qū)分出區(qū)域分別為邊緣非核心沖蝕區(qū)域與中心的核心沖蝕區(qū)域。其核心沖蝕區(qū)域可能是因為粒子密集的沖擊所導致的表面完全脫落。對于碳纖維復合材料，可以看出區(qū)域中每層的編織結構已經(jīng)被明顯破壞，有的甚至可以看到其層合板一層一層的分層，表示其鋪層設計也被破壞。

對于其沖蝕痕跡的總面積，可以得出：對同一材料，在沖蝕絕對壓力相同的情況下，沖蝕角度為20°、30°時的沖蝕痕跡總面積總是大于沖蝕角度為60°、90°時的，并且在本次試驗中，沖蝕角度為30°時所顯示的總沖蝕痕跡面積為最大，大致可以認為沖蝕痕跡總面積隨沖蝕角度的變大先變大后變小。對同一材料，同沖蝕角度下，沖蝕絕對壓力的變化對沖蝕痕跡總面積的影響較小，但是沖蝕率有著明顯的變化，這可能是主要由于其沖蝕深度的變化所體現(xiàn)的。對不同材料，在同沖蝕絕對壓力與沖蝕角度的情況下，其沖蝕痕跡的總面積也沒有明顯變化。這可能是由于沖蝕痕跡的總面積最主要的影響因素是試驗臺的設計參數(shù)，既然試驗臺是完全相同的，所以上述沖蝕痕跡的總面積也是幾乎不變的。

對于其沖蝕總區(qū)域的最大長度與寬度，可以發(fā)現(xiàn)：對同一材料，在沖蝕絕對壓力相同的情況下，隨著沖蝕角度的變小，其沖蝕最大寬度也漸漸變小，其中在30°到20°變小的改變量較大;對于其最大沖蝕長度，則是隨著沖蝕角度的變小而漸漸變大。對同一材料，在沖蝕角度一樣的情況下，沖蝕絕對壓力的變化對其沖蝕總區(qū)域的最大長度與寬度都幾乎沒有影響。不同材料在同一沖蝕絕對壓力和沖蝕角度的情況下，其沖蝕總區(qū)域的最大長度與寬度都幾乎沒有區(qū)別，可能是因為這也是由試驗臺的設計參數(shù)所決定的。

對于其沖蝕區(qū)域的最大深度，可以發(fā)現(xiàn)：對三種材料的試樣，各自在沖蝕絕對壓力相同的情況下，沖蝕角度為20°、30°的沖蝕最大深度總是小于沖蝕角度為60°、90°時的，這是由于雖然低沖蝕角度沖蝕率較大，但是低沖蝕角度時沖蝕面積更大，并且沖蝕角度為20°時的沖蝕最大深度大于沖蝕角度30°時的沖蝕最大深度。對同一材料，同沖蝕角度的情況下，隨著沖蝕絕對壓力的變大，其最大沖蝕深度也會變大。對同沖蝕絕對壓力和同沖蝕角度的情況下，碳纖維復合材料的沖蝕最大深度大于TC4鈦合金的沖蝕最大深度大于2A12鋁合金的最大沖蝕深度，這也是主要由于碳纖維復合材料在相同情況下沖蝕率更大的原因。

如圖6所示是對碳纖維復合材料在低沖蝕絕對壓力的情況下（0.19MPa），用10倍顯微鏡拍攝的其單層中編織結構的失效情況（沖蝕角度分別為90°、60°以及30°）。

從圖可以看出，在低沖蝕絕對壓力的情況下，沖蝕角度為90°和60°的核心沖蝕區(qū)域的中心，其單層的編織結構完全被破壞，其大部分編織的結點都已完全消失，偶爾還有一些編織的結點突出。在沖蝕角度為90°和60°的非核心沖蝕區(qū)域，也能看出其編織結構被破壞，不過此時要優(yōu)于核心沖蝕區(qū)域，偶爾可以看到殘缺的連接結點的梁結構的存在。對于沖蝕角度為30°時，由于此時沖蝕率較小，所以此時單層的編織結構保留情況要優(yōu)于沖蝕角度在60°以及90°時，但是同樣可以看到核心沖蝕區(qū)域的單層編織結構被破壞以及所導致的突出的塊狀部分。

2.3 碳纖維微觀沖蝕形態(tài)

如圖7是對沖蝕試驗后的碳纖維復合材料中典型試樣的核心沖蝕區(qū)域進行電鏡掃描后所得到的結果。

從電鏡掃描結果可以看出，每種情況下，都會有殘破的白剛玉粒子嵌在沖蝕后的試件上，如圖中部分白色的顆粒。而且可以觀察到，隨著沖蝕角度的增大，會有更多的破碎的白剛玉粒子嵌在試樣上。由于本次試驗選擇的碳纖維復合材料板是正交編織的，我們用試樣夾具夾緊時都嚴格按照順著碳纖維編織的一個方向或者是以另一個正交編織的方向成90°的情況來沖蝕。所以可以從上圖中看出對結果一定的影響。從高沖蝕絕對壓力的結果看，由于沖蝕粒子速度較快，碳纖維復合材料板已被沖穿。當沖蝕角度較大時，觀察到碳纖維復合材料的試樣已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的分層。對沖蝕角度為90°時，在最靠近沖穿區(qū)域的第一層內(nèi)，碳纖維幾乎全部斷裂，其結構也全部被破壞，看不出碳纖維編織時的方向性;在距離沖穿區(qū)域稍遠的第二層，可以大致看出碳纖維的方向性，但是其邊緣部分幾乎都為白色區(qū)域，也嵌入大量破碎的白剛玉粒子，碳纖維幾乎全部斷裂;在距離核心沖蝕區(qū)域最遠的第三層，其方向性保存較好，雖然也有斷裂的碳纖維以及嵌入的破碎的白剛玉粒子，但是可以看出與第二層正交的方向性。對沖蝕角度為60°時，可以看出電鏡掃描結果中白色的區(qū)域明顯減少，其核心沖蝕區(qū)域中心的第一層碳纖維斷裂嚴重，相比較90°時第一層結構破壞相差無幾，看不出其方向性;但是對第二層，其碳纖維的斷裂情況明顯比90°時嚴重，大部分碳纖維斷裂，而且?guī)缀蹩床怀銎渚幙椀姆较蛐?。總而言之，在較高沖蝕絕對壓力的情況下，60°沖蝕角度碳纖維斷裂情況比沖蝕角度為90°時更加嚴重。

在沖蝕壓力為中等壓力時，可以發(fā)現(xiàn)大沖蝕角度下破碎的白剛玉粒子嵌入試樣更多。在沖蝕角度較小時，可以觀察到斷裂的部分不是很多，而且斷裂的形式也是比較一致的，白色區(qū)域的面積占比也不是很大;隨著沖蝕角度從20°到30°的變大，斷裂的碳纖維部分逐漸變多，斷裂情況也更加嚴重。由于試樣夾具夾緊時都嚴格按照順著碳纖維編織方向，所以在這兩個沖蝕角度下，可以看出電鏡掃描結果中碳纖維方向的同一性，而且對其方向性的保留也是較完好的。在沖蝕角度偏大的情況下，可以看出其中斷裂的區(qū)域明顯變多，斷裂情況也明顯嚴重，也有更多的破損的白剛玉粒子嵌到試樣的表面，但是從大體上來看，還是能看出其方向性，從60°與90°沖蝕角度的電鏡掃描結果，可以看出其正交的編織方向，說明其對方向性也有一定的保留。而且可以看出，對于正交碳纖維編織的兩個方向，其中順著沖蝕方向編織的碳纖維斷裂情況較好一些，白色區(qū)域面積占比也小，但是對與沖蝕方向成90°編織的碳纖維，其斷裂情況就較為嚴重，白色區(qū)域面積占比也明顯地增多。

3 ?結語

（1）建立了沖蝕試驗臺，完成對正交編織碳纖維復合材料平板較高速沖蝕試驗以及對比。

（2）當沖蝕壓力即沖蝕速度保持一定時，對于碳纖維復合材料沖蝕率隨沖蝕角度的增大先變大然后變小，峰值處于30°與90°之間。當沖蝕角度一定時沖蝕率隨沖蝕前端絕對壓力的變大而變大。試驗中相同情況下碳纖維復合材料的沖蝕率一般比鈦合金與鋁合金材料高一個數(shù)量級。

（3）對于正交碳纖維編織的兩個方向，其中順著沖蝕方向的碳纖維斷裂情況較好，但是對于與沖蝕方向成90°的碳纖維，其斷裂情況較為嚴重。

參考文獻

[1] 徐明.層合復合材料風扇機匣與葉片連接結構強度分析方法研究[D].南京航空航天大學， 2014.

[2] 沈爾明，王志宏，趙鳳飛，等.風扇機匣材料應用現(xiàn)狀與發(fā)展[J].航空制造技術，2013，433（13）： 92-95.

[3] 何光宇，李應紅，柴艷，等.航空發(fā)動機壓氣機葉片砂塵沖蝕防護涂層關鍵問題綜述[J].航空學報，2015， 36（6）：1733-1743.

[4] 劉奇.復合材料葉片抗沖蝕性能研究及SPH仿真分析[D].南京航空航天大學， 2013.

[5] 章磊，毛志遠，黃蘭珍.鋼的沖蝕磨損與機械性能的關系及其磨損機理的研究[J].浙江大學學報：自然科學版， 1991，25（2）：188-194.

[6] 郭寶會.不同攻角狀態(tài)下TC4合金的固體粒子沖蝕行為研究[J].科學技術與工程，2015，15（6）：150-153.

[7] 吳鮮花.鈦合金微納米結構疏水表面沖蝕機理研究[D]. 上海交通大學， 2017.

[8] 代禮葵.環(huán)境因素下玻纖增強樹脂基復合材料沖蝕損傷行為[D].新疆大學， 2019.

[9] 萬偉.SiC泡沬陶瓷/球墨鑄鐵雙連續(xù)相復合材料的耐沖蝕性能研究[D].中國科學技術大學，2019.

[10]郭等鋒.納米二氧化硅/聚氨酯協(xié)同改性環(huán)氧樹脂沖蝕磨損性能研究[D].蘭州交通大學，2018.