FOD對TC4合金擴散焊板材HCF性能影響

李百洋，劉小剛，郭海丁

（南京航空航天大學江蘇省航空動力系統重點實驗室，南京210016）

0 引言

高推重比渦扇發動機的主要設計任務是綜合考慮氣動、質量、振動、噪聲、結構完整性和可靠性以及制造成本等因素，擇優選擇設計方案。作為先進渦扇發動機主要部件的鈦合金寬弦空心風扇葉片結構就是滿足上述設計要求的范例[1-2]。目前，國外大多數先進渦扇發動機均采用第2代寬弦空心風扇葉片，該寬弦空心風扇葉片由RR公司研制，采用鈦合金3層結構的超塑成形/擴散連接（SPF/DB）組合工藝制成[3-7]。在寬弦空心風扇葉片高速運轉過程中，高速氣流經常將飛石、砂礫、冰塊等異物吸入發動機氣流通道，打傷寬弦空心葉片，大大縮短葉片的使用壽命，這種由外來物造成的破壞或損傷統稱為損傷外物[8]（Foreign Object Damage，簡稱FOD）。主要表現為葉片局部區域出現缺口、撕裂和凹坑等形式，并發生應力集中、殘余應力及剪切帶等現象，甚至形成初始裂紋，更有甚者，葉片可能直接被打斷[9]。

國外針對FOD后實心葉片的力學性能影響已經開展了大量研究。Ruschau等[10]通過模擬實際的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FOD特征的影響，表明不同沖擊速度會造成不同的沖擊損傷形貌特征；Boyce和Duó等[12-13]對FOD的沖擊殘余應力進行試驗測量，表明沖擊速度不同，殘余應力具有較大差異。國內在風扇/壓氣機葉片FOD方面開展的研究工作非常有限。潘輝等[14]對FOD試驗模擬的方法種類及其優缺點和應用范圍進行了詳細描述；喬文逍等[15]曾在壓氣機葉片上開鑿了Kt=3的人工缺口，在發動機試車臺上進行初步試驗；關玉璞、陳偉等[16]全面介紹了航空發動機葉片FOD的現狀，并提出國內進行葉片FOD的研究方向。

與實心葉片相比，寬弦空心風扇葉片受沖擊的典型部位為3層板擴散焊結構。當其FOD后，除了對沖擊表面造成損傷，內部擴散焊縫是否受到影響，從而是否對葉片疲勞強度造成影響，尚不清楚。

本文設計了3層板形式的TC4合金擴散焊試樣，對其進行FOD及HCF試驗，以研究FOD對TC4合金擴散焊結構HCF強度影響特點，為寬弦空心風扇葉片的強度評估提供參考。

1 FOD模擬試驗及損傷分析

1.1 試驗件及試驗方案

本文考慮寬弦空心風扇葉片實際工作中最易受沖擊的典型部位如圖1所示。設計并加工了擴散焊平板模擬件（如圖2所示），可以反映實際葉片的結構及力學特征。其擴散焊連接溫度為910℃，連接壓力為3.4 MPa，保溫時間為60 min。擴散連接后的鈦板通過機械加工得到如圖2（b）所示的平板試件，所有試件經過超聲波探傷檢測內部焊縫質量合格。

圖1 葉片沖擊典型部位

采用空氣炮法對擴散焊平板件進行FOD試驗。沖擊用鋼珠密度為7850 kg/m3，直徑為4 mm，總體試驗沖擊速度為300 m/s。針對擴散焊3層板進行面心沖擊，并設定 25°、40°和80°3種沖擊角度，在每種角度下進行2組試驗，以系統研究FOD對空心風扇葉片的影響，沖擊角度定義如圖3所示。

圖2 TC4合金擴散焊結構試件

圖3 沖擊角度定義

1.2 FOD試驗結果分析

對沖擊后的擴散焊平板件采用光學顯微鏡放大50倍下對FOD部位進行觀察，如圖4所示。從圖中可見，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FOD損傷形貌進行觀察的同時，對損傷缺口進行尺寸測量，測量結果見表1。表中：l1為彈坑長度；l2為彈坑寬度；d為彈坑深度；Φ為鋼珠直徑。經對比發現，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，彈坑長度已超過鋼珠直徑。說明25°沖擊角度帶來的材料表面損傷最為嚴重。

圖4 沖擊面心損傷形貌及測量

表1 擴散焊平板件沖擊面心FOD幾何尺寸

1.3 FOD損傷切片觀測

為了進一步研究沖擊角度對擴散焊結構的影響，選取25°和80°沖擊試驗件進行切片顯微觀測，將2個試件沿損傷處按坐標軸（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 擴散焊平板件損傷截面坐標

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，根據尺寸測量直接找到焊縫層，焊縫開裂痕跡明顯，且開裂點稍偏于沖擊損傷正下方，對焊縫開裂層局部放大，焊縫開裂現象較明顯，且在遠離損傷位置處焊縫開裂現象逐漸消失。

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。在低倍下沒有觀察到明顯焊縫開裂，但對焊縫層局部放大可觀察到焊縫微小損傷。對比發現，該角度下FOD對焊縫層影響相對較小。

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，對于硬物沖擊擴散焊平板件時面心處，25°沖擊對試件造成的損傷最嚴重，80°沖擊對試件造成損傷相對較小。且通過切片觀察發現，FOD對二者焊縫損傷情況也有所不同。

2 FOD后擴散焊試樣HCF疲勞強度及結果分析

對FOD后的擴散焊試件開展HCF強度試驗。選擇106循環作為HCF強度試驗的壽命指標，試驗方法采用逐級加載法。首先初步估計試件在106循環壽命下的HCF強度，然后進行試驗。如果試樣在首個106循環內發生疲勞失效，則認為試驗失敗，需要更換試樣重新開始試驗，并降低首次加載的循環載荷水平。如果試樣在首個106循環內沒有失效，則在施加的最大循環應力基礎上增加1個小的載荷增量（本試驗均取初始試驗載荷的10%），繼續對該試樣進行106次循環加載。如果試樣在106循環內仍未發生疲勞失效，則增加1個載荷增量后繼續下一個106次循環加載，直至試樣在某個106循環內發生疲勞失效，則試驗結束。假設試樣發生疲勞失效的最后載荷步循環次數為Nfail（＜106循環），發生失效的前一個載荷步的最大循環應力為σpr，那么試件106循環壽命的HCF強度σe為

HCF強度試驗循環應力比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，初始載荷設定為180 MPa。所有HCF試驗均在室溫下進行。對于HCF試驗，疲勞裂紋擴展壽命占總疲勞壽命的比例較小，所以本文以試件發生疲勞斷裂作為試件疲勞失效的標準。

圖8 FOD擴散焊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 試驗斷口分析

部分失效試件如圖8所示。從圖中可見，在所有試件失效斷裂位置均未發現明顯塑性變形，屬于脆性斷裂。比較發現所有試件疲勞失效均發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），且疲勞裂紋自損傷處沿鋼珠出射方向擴展（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現，彈坑在出射方向會出現材料堆積和丟失，并且出射面區域存在許多微小裂紋，而入射面區域較為平整光滑。因此出射面區域材料損傷程度比入射面區域的大，這也是造成初期疲勞裂紋從彈坑出射面一側萌生并擴展的主要原因。隨著裂紋不斷擴展，材料剩余面積越來越小，當材料無法承受載荷的作用時發生瞬間斷裂。觀察斷口發現，裂紋擴展時均伴隨著擴散焊縫的撕裂。

2.2 FOD對擴散焊板件HCF強度影響分析

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

為獲得Kf，本文同樣通過逐級加載法測定TC4合金擴散焊光滑試件疲勞強度為647.5 MPa。并根據Kf定義式對試驗結果進行處理，得到不同沖擊角度下的Kf值。TC4合金擴散焊缺口試件疲勞強度試驗結果見表2。從表中可見，所有FOD后試樣的疲勞強度均低于300 MPa，這一數值要遠遠低于3層板擴散焊光滑試樣的平均疲勞強度，說明由于FOD的作用使得TC4合金擴散焊平板試樣的疲勞強度明顯降低，此外，FOD后Kf均較大，達到3左右。

表2 TC4合金擴散焊3層板光滑件及缺口件HCF強度試驗結果

綜合對比發現，當硬物以同一速度沖擊面心時，沖擊角度為25°時的失效最大應力低于其他角度下的，同時疲勞缺口系數也高于其他角度下的，說明25°時FOD對擴散焊平板疲勞性能造成的影響最為嚴重。

對TC4合金原材料FOD前后的HCF強度也進行了試驗。其疲勞缺口系數和擴散焊3層板的試驗結果見表3。從表中可見，無論在何種沖擊條件下，FOD后擴散焊平板試件疲勞缺口系數明顯大于TC4合金原材料FOD后試件的，HCF強度均低于受同等沖擊的TC4合金原材料試樣的。表明擴散焊平板件FOD后的損傷程度要大于TC4合金原材料試件的。進而表明FOD不僅會對材料表面造成損傷形成缺口，還將對焊縫造成一定程度損傷，二者共同作用會使擴散焊板的HCF強度大幅降低。

表3 擴散焊及原材料FOD疲勞缺口系數對比

3 結論

針對TC4合金3層擴散焊板件開展了FOD試驗與FOD后的HCF強度試驗，結論如下：

（1）以3種不同角度沖擊3層擴散焊板件中心，FOD會在TC4合金擴散焊平板件材料表面造成損傷，其中25°沖擊時造成的損傷最嚴重。

（2）對于TC4合金3層擴散焊板，FOD后不僅會在材料表面形成缺口，還會對內部焊縫造成以焊縫開裂為主的額外損傷。

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