外物損傷對TC4鈦合金的高周疲勞強度的影響

許祥勝，趙振華，陳 偉

（南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016）

外物損傷對TC4鈦合金的高周疲勞強度的影響

許祥勝，趙振華，陳 偉

（南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016）

為了研究外物損傷對航空發動機葉片疲勞性能的影響規律，將直徑為3、4 mm的鋼珠利用空氣炮加速到約300 m/s對TC4合金平板試樣進行外物損傷試驗，利用3維體式顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）分別觀察外物損傷的宏觀特征和微觀特征。結果表明：在隨后的高周疲勞試驗中外物損傷容易誘發疲勞裂紋的萌生，且試樣的疲勞強度隨損傷深度的增加而降低；疲勞源一般位于損傷區域的表面位置，因為試樣在沖擊過程中在損傷區域形成了微觀裂紋和缺口。

外物損傷；TC4鈦合金；高周疲勞；疲勞強度；航空發動機

0 引言

將沙石、金屬等硬度較高的外來物撞擊飛機發動機內部部件引起的損傷稱為“外物損傷”，簡稱FOD[1]。國內外關于外物損傷的研究很多。20世紀80年代，Nicholas等[2]研究了鈦合金平板試樣受較小硬物的沖擊損傷，提出定量描述外物損傷的概念；2000年，Martinez等[3]研究得出：無論試樣的損傷深度如何，其疲勞強度都會降低10%～50%；2001年，Peters[4]研究發現FOD導致試樣的疲勞強度明顯降低，主要是由于損傷部位的應力集中和FOD誘導的微裂紋導致過早引發疲勞裂紋；隨后，Nowell[5]研究發現沖擊角、前緣半徑和葉片楔角對隨后的疲勞強度具有深遠影響；2006年，羅榮梅[6]研究結果表明外物損傷會使試樣發生較大的幾何變形，產生應力集中和殘余應力，降低試樣的疲勞強度和使用壽命；2007年，P.Duó等[7]提出在沖擊的入射邊存在較大的拉伸殘余應力；2008年，Hall等[8]使用納米直接電流電位降（DCPD）系統監測裂紋生長，并且考慮殘余應力將裂紋生長速率與校正的應力強度因子相關聯；2010年，Spanrad等[9]觀察模擬葉片的損傷特征表現為缺口壓痕、材料損失、材料堆積、剪切帶和微裂紋等特征；2011年，潘輝[10]研究認為外物損傷造成的缺口會為疲勞裂紋的萌生提供有利條件，損傷引起的拉伸殘余應力是誘發疲勞失效的重要因素之一；2012年，葛寧[11]發現損傷的宏觀特征主要有材料的丟失、擠壓變形、塑性變形等，損傷缺口的微觀特征主要有微小的裂紋、微觀結構損傷以及片層狀結構等。

本文利用空氣炮將不同直徑的鋼珠加速到相同速度去撞擊TC4鈦合金材料，觀察外物損傷的宏觀和微觀特征，并且研究外物損傷對TC4鈦合金疲勞強度的影響。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗件材料

試驗所用材料是1種中等強度的α+β型的TC4鈦合金，其金相組織如圖1所示，其材料參數見表1[12]。該合金具有優異的綜合性能，在航空航天工業中得到了廣泛應用。TC4合金可長時間在400℃的溫度下工作，在航空工業中主要用于制造發動機的風扇和壓氣機盤及葉片，以及飛機結構的梁、接頭和隔框等重要承力構件。

表1 TC4合金參數

表中，σ0.2為屈服應力；Uts為抗拉強度；Te為拉伸伸長；Ra為斷口收縮率。這些參數均體現TC4合金的單軸拉伸性能。

1.1.2 鋼珠的材料屬性

用直徑分別為3、4 mm的鋼珠模擬不同大小的外物，鋼珠的材料屬性參數見表2[13]。

表2 鋼珠的材料屬性

1.2 試樣

狗骨頭型試樣的橫截面是2 mm×10 mm的矩形，總長136 mm，如圖2所示。狗骨頭型試件的中間部分，前面尺寸為10 mm×30 mm的矩形和側面尺寸為2 mm×30 mm的矩形。

1.3 試驗設備

采用的空氣炮系統如圖3所示，將直徑分別為3、4 mm的鋼珠加速到300 m/s沖擊狗骨頭型平板試樣來模擬外物損傷。

試驗采用3維體式顯微鏡（KH-7700）和掃描電子顯微鏡（SEM-JSM-7001F）分別觀察試樣損傷的宏觀和微觀特征。試樣的高頻疲勞試驗在高頻疲勞試驗機QBG-100中進行，如圖4所示。由于試樣加工時存在的差異性和外物損壞試驗的不可重復性，在相同試驗條件下的損傷試樣的疲勞強度也不同，只能采用步進法進行高頻疲勞試驗[14]。

2 試驗結果及討論

利用3維體式顯微鏡測量試樣缺口的損傷參數，并且定義損傷參數，如圖5所示。圖中，X、Y、Z分別表示損傷的長、寬、深。

表3 外物損傷試驗結果

TC4鈦合金平板試樣的外物損傷試驗結果見表3。由于外物損傷的隨機性和不可重復性，即使試驗條件完全相同，損傷尺寸也都不可能一樣。

鋼珠從試樣的側面沖擊試樣進行外物損傷模擬試驗，FOD的宏觀形貌如圖6所示。由于受鋼珠的大小和沖擊位置的影響，缺口的損傷尺寸和完整性均不同。但是FOD具有相同的宏觀特征，即大部分缺口都存在鼓包、撕裂、缺口底部比較光滑、在缺口邊緣有材料堆積的現象，而在非完整的半球形缺口底部有材料的丟失，如圖 6（e）、（f）所示。這些宏觀特征都是由于鋼珠高速沖擊葉片時，在缺口中心形成光滑的絕熱擠壓區域后外物速度降低、能量降低，無法繼續使更多試樣材料發生流變，然而由于外物尺寸較大，撞擊形成光滑區域后剩余能量依舊很高，試樣兩側材料抵抗侵徹時無法承受外物施加的巨大沖擊力而脫離母體，形成材料丟失。

FOD試樣進行高頻疲勞試驗的結果見表4。光滑樣品的疲勞強度為902 MPa。試驗結果表明：FOD試樣的疲勞強度均低于光滑狗骨試樣的疲勞強度的0.6倍。因此，外物損傷會顯著降低TC4合金的疲勞強度。

表4 高頻疲勞試驗結果

FOD試樣的疲勞強度與損傷尺寸之間的關系如圖7所示。從圖中可見，FOD試樣的疲勞強度與損傷參數X和Y的關系不明顯，而損傷參數Z對TC4合金試樣的疲勞強度的影響呈線性關系，損傷深度越大FOD試樣的疲勞強度越小。

利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察FOD試樣的疲勞斷面的微觀特征，FOD試樣的斷裂位置區域如圖8（a）所示，一般疲勞源區位于試樣的外物損傷缺口位置。疲勞斷口的宏觀特征：疲勞斷口由疲勞源區、疲勞擴展區和瞬斷區3部分組成[15]。從圖8（b）中可見，疲勞斷口存在明顯的放射狀河流花樣，放射狀河流花樣反方向聚集的地方即為疲勞裂紋源，其在缺口損傷位置處萌生，且在缺口根部靠近上表面的位置，此件試樣為多源擴展斷裂；疲勞擴展區的特點是斷口平坦光滑、斷口細膩，其擴展充分，由于此件試樣為多源斷裂，而且疲勞源不在同一截面上，導致裂紋擴展區呈階梯狀；而瞬斷區裂紋擴展得很迅速，所以瞬斷區較粗糙，有很多韌窩。放大圖8（b）中的疲勞源區發現，疲勞源區有很多細小的疲勞帶和少量的2次裂紋，如圖8（c）所示。放大圖8（b）中的疲勞擴展區域如圖8（d）中所示，疲勞擴展區有很多比較均勻的疲勞帶和大量的2次裂紋。

3 結論

通過空氣炮模擬外物損傷，觀察FOD試樣的宏觀/微觀結構以及外物損傷對TC4鈦合金的疲勞強度的影響研究，可以得出以下結論：

（1）通過鋼珠高速沖擊試樣模擬外物損傷發現FOD顯著降低了TC4平板葉片的疲勞強度，主要是因為FOD誘導了試樣過早地萌生裂紋源。并且疲勞強度隨著損傷深度的增加而減小。

（2）通過SEM觀察疲勞斷口表明，疲勞源位于損傷區域的表面，主要是因為在損傷區域存在大量微觀裂紋和微觀缺口，促進了裂紋源的萌生。

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The Influences of Foreign Object Damage on the High Cycle Fatigue Behavior of Titanium Alloy TC4

XU Xiang-sheng,ZHAO Zhen-hua,CHEN Wei
（College of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China）

In order to study the influence of foreign object damage on aeroengine blades fatigue performance,Foreign Object Damage(FOD)was simulated by the 3 and 4 mm diameters hardened steel spheres onto the flank of the TC4 plate specimens.A light gas gun was used to fire the projectiles and the values of impact velocity were set 300 m/s.The macroscopical and microscopical characteristics of specimen damage were respectively observed by three-dimensional digital microscope and scanning electron microscope （SEM）.Results show that the effect of FOD can easily induce preferred sites for the premature initiation of fatigue cracks on subsequent cycling,and the fatigue strength decreases with the serious depth of damage.It is also found that the fatigue source normally locates in the surface of damage area,and initiates from the micro cracks or micro notches caused due to the impact.

foreign object damage；titanium alloy TC4； high cycle fatigue；fatigue strength；aeroengine

V 232.4

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.017

2016-10-24

許祥勝（1990），男，在讀碩士研究生，研究方向為航空發動機結構強度與可靠性；E-mail：1540962777@qq.com。

許祥勝，趙振華，陳偉.外物損傷對TC4鈦合金的高周疲勞強度的影響 [J].航空發動機，2017,43（3）：88-92.XU Xiangsheng，ZHAO Zhenhua，CHENWei.The influences offoreign object damage on the high cycle fatigue behavior oftitaniumalloyTC4[J].Aeroengine，2017,43（3）：88-92.

（編輯：栗樞）