內(nèi)含硬α 夾雜鈦合金輪盤裂紋擴(kuò)展研究

郭小軍 ， 徐友良 ,*， 李 堅(jiān) ， 單曉明 ， 劉建新 ， 胡曉安

（1.湖南動(dòng)力機(jī)械研究所 中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司，湖南 株洲 412002；2.南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院，南昌 330033）

0 引言

由于密度小、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，鈦合金被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，在鈦合金材料的實(shí)際冶煉過程中，容易產(chǎn)生硬質(zhì)α 缺陷，從而容易在使用服役過程中形成疲勞裂紋萌生源[1-2]。材料冶金缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞破壞作用最早源于20 世紀(jì)80 年代美國發(fā)生的2 起空難，分別是René 95 粉末冶金夾雜導(dǎo)致渦輪盤低循環(huán)疲勞破裂引起的F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)墜毀以及Ti-6Al-4V 鈦合金硬質(zhì)α 夾雜導(dǎo)致風(fēng)扇盤疲勞破壞引起的DC-10 客機(jī)蘇城空難[3]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤被定義為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的斷裂關(guān)鍵件，其結(jié)構(gòu)完整性危及到整機(jī)飛行安全。為此，中國和美國的適航條例[4-5]都規(guī)定了“限壽件必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿p傷容限評(píng)估，以確定在零件的批準(zhǔn)壽命期內(nèi)，由于材料、制造和使用引起的缺陷導(dǎo)致潛在失效”的要求。目前，美國已經(jīng)在現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛應(yīng)用損傷容限設(shè)計(jì)思路。最為典型的案例是TF30 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)[6]，通過斷裂力學(xué)理論和方法對(duì)壓氣機(jī)盤進(jìn)行剩余壽命評(píng)價(jià)后，采用多種無損檢測(cè)手段進(jìn)行缺陷、裂紋檢測(cè)，證實(shí)了無損檢測(cè)可以精確得預(yù)測(cè)輪盤剩余壽命[7]。相關(guān)的研究成果則集成到Darwin 軟件中[8]。

國外針對(duì)夾雜、孔洞等缺陷對(duì)鈦合金風(fēng)扇盤和高溫合金渦輪盤材料損傷和破壞的影響機(jī)制展開了系統(tǒng)性、持續(xù)性的基礎(chǔ)研究，主要涉及缺陷對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律，揭示了表面和內(nèi)部缺陷起裂引起的競爭機(jī)制，考慮缺陷尺寸、不規(guī)則形態(tài)、位置的作用，并發(fā)展了針對(duì)有復(fù)雜不規(guī)則幾何形狀缺陷的等效處理方法。……