TC17鈦合金線性摩擦焊接葉片單元件焊縫設計

余學冉， 陳云永

(中國航發商用航空發動機有限責任公司, 上海 200241)

0 前言

鈦合金整體葉盤在現代航空發動機中獲得了廣泛的應用[1]。由于線性摩擦焊接技術可以實現非軸對稱復雜截面及異質材料的固相連接，有效避免熔焊中易出現的偏析、裂紋、氣孔等缺陷，成為目前國際公認的理想的航空發動機整體葉盤焊接制造與維修關鍵技術，在MTU和Rolls-Royce等公司的領先推動下，線性摩擦焊接制造技術從2000年之后逐步成功應用于不同型號航空發動機整體葉盤制造[2-4]。

TC17鈦合金具有強度高、斷裂韌度好，淬透性高和鍛造溫度范圍寬等一系列優點[3]，在Leap和GE90等多個型號的高壓壓氣機中得到了廣泛應用。目前國內已經針對TC17鈦合金線性摩擦焊接接頭組織與力學性能以及焊后熱處理制度對力學性能的影響進行了一定研究[5-8]。李祚軍等人[9]針對線性摩擦焊接制造的TC11和TC17異質葉片單元件進行了分析和試驗，由于不同焊縫位置處的葉片振動應力的差異及焊縫位置變化對葉片單元件的振動應力梯度產生的影響，焊縫位置對于葉片的疲勞壽命有顯著影響。

整體葉盤在使用過程中，除了受到氣動力、溫度和離心力等隨轉速變化的穩態應力外，由于其薄壁結構的特點，還容易受到氣流激振而產生交變的振動應力[10]。在評估葉片高周疲勞性能時，往往通過Goodman圖來綜合考慮穩態應力和交變應力的影響[11]。根據文獻[6-7]研究結果，熱處理前，TC17線性摩擦焊接頭的抗拉強度差異約為母材的91.8%左右，高周疲勞性能約為熱處理后疲勞性能的83%左右；考慮熱處理后，焊接頭的高周疲勞性能和斷裂韌度無法在相同熱處理溫度達到最優。因此，通過合理設計線性摩擦焊縫高度和角度，在綜合考慮穩態應力和振動應力的情況下，可以使得焊縫處于較安全區域，從而有利于提高線性摩擦焊接整體葉盤的振動安全性。

1 模態應變比及葉片危險點

現代民用航空發動機葉片設計時，可通過CFD計算、傳熱分析獲得葉片表面氣動力分布和葉片溫度場，再通過有限元分析軟件設置合理的邊界和離心載荷，可較為精確的獲得葉片穩態應力分布。但由于葉片所受氣流激振力、阻尼難以準確模擬，因此，葉片在運轉時的振動應力往往難以預估。由于葉片結構阻尼和氣動阻尼對葉片振動時的頻率和模態應力分布較小，通過比較葉片上不同位置的模態應變比(即葉片上任意一點許用振動應變與該點的模態應變的比值)，可以獲得葉片上最薄弱的位置，模態應變比越高，表明葉片發生該階共振時振動應力占許用振動應力的比值越小，振動安全性越高。因此，定義模態應變比Rmod如下：

(1)

式中：εmod為模態應變；εa為許用振動應變，由Goodman圖獲得，典型Goodman圖定義如圖1所示。

圖1中，εmA和εmB分別為葉片上任意兩點A，B的穩態應變，可以通過有限元分析獲得。

根據模態應變比的定義，對于葉片任意的兩點A和B，其模態應變比的比值為：

(2)

式中：εaA為A點的許用振動應變，根據εmA從Goodman圖中獲得；εaB為B點的許用振動應變，根據εmB從Goodman圖中獲得；εmod_A為A點的模態應變；εmod_B為B點的模態應變。

式(2)進一步調整得到：

(3)

由式(3)可知，任意兩點之間的模態應變比的比值等于任意兩點許用振動應變之比和模態應變之比的相除。對于葉片來說，由于阻尼對模態應力分布的影響較小，當葉片發生某階次振動時，葉片上任意兩點之間的振動應變比值與模態應變比值一致。因此，模態應變比與葉片振動應力儲備系數成正比，從而模態應變比越高的點其振動應力儲備越大，從而高周疲勞失效的風險越小。在確定線性摩擦焊縫位置時，應盡量避開振動應力儲備(即模態應變比)較小的位置。

2 某型發動機線性摩擦焊接葉片單元件焊縫設計

2.1 葉片單元件參數

以某型發動機線性摩擦焊接葉片單元件為例(為增加考核葉片數，由線性摩擦焊接整體葉盤更改為葉片單元件)，葉片幾何模型和有限元模型如圖2所示，其材料為TC17鈦合金，室溫下的力學性能見表1，焊接前后，材料力學性能保持一致。穩態應力分析時，對葉片施加1 170 rad/s的離心載荷，在單元件底面施加全位移約束，葉片穩態應力分布如圖3所示。模態分析時考慮穩態預應力，其第1階模態應力分布如圖4所示。

圖2 葉片單元件幾何模型和有限元模型

圖3 葉片單元件穩態應力(等效應力)分布

圖4 第1階彎曲模態應力(等效應力)分布

以葉片夾持端部平面為參考平面，定義焊縫高度和焊接夾角如圖5所示。其中，焊縫高度為葉片進氣邊焊點距葉片進氣邊與葉片緣板交點的徑向高度，焊接夾角為焊縫與夾持端部平面的夾角，當進氣邊焊縫高度低于排氣邊焊縫高度時，焊接夾角為正。

圖5 焊縫高度和焊接夾角定義

根據模態應變比的定義，以典型焊縫位置為例(焊接夾角18°，焊縫高度占總葉身高度的比例分別為5%和11%)，葉片壓力面焊縫在模態應變比分布如圖5所示(焊縫與進氣邊交點為左端，相對弦長位置為0%；焊縫與排氣邊交點為右端，對應弦長比例100%)。

由圖6可知，典型焊縫截面處，不同弦長位置的模態應變比是存在差異的，對于5%葉高截面來說，由于進氣邊存在明顯的模態大應力區，因此，左端模態應變比較低，而右端因遠離模態大應力區并且靜應力較小，因此模態應變比較高。11%葉高截面與5%截面類似，但右端模態應變比更高。

圖6 典型焊縫截面(葉片壓力面)模態應變比分布

2.2 焊縫高度和焊接夾角影響分析

通過對不同焊縫高度處的葉身截面進行分析，不斷調整焊接夾角，并提取對應焊接截面的最小模態應變比，可以得到不同焊縫高度對應的最小模態應變比如圖7所示。

圖7 不同焊縫高度下的模態應變比分布

由圖7可知，在2%～50%葉片高度范圍內，不同焊縫高度下的模態應變比差異最大可達29.3%(最大值0.075 2，最小為0.058 5)。同一焊接夾角下，隨著焊縫高度的增加，焊縫位置的最小模態應變比呈現“C”形分布，25%～35%焊縫高度處的模態應變比最低，而在此區域外，模態應變比則逐漸增大。值得一提的是，在15%～25%焊縫高度，存在一處模態應變比局部峰值區域。

類似的可以得到不同焊接夾角下的最小模態應變比，如圖8所示。

圖8 不同焊接夾角下的模態應變比分布

由圖8可知，不同焊接夾角對模態應變比的影響可達到29.6%(最大值0.075 2，最小為0.058)。同一焊縫高度下，焊縫對應的最小模態應變比亦呈現“C”形分布，與圖6的差異在于，同一焊縫高度下，曲線兩端存在模態應變比基本不變的“平臺區域”，而中間焊接夾角對應的模態應變比最低。以5%焊縫高度為例，焊接夾角處于20°～30°最佳，55°～65°其次，而在30°～55°之間，模態應變比類似于拋物線分布。綜合焊縫位置和焊接角度分析，對于該葉片的1階彎曲振動，宜選擇10%及以下焊縫高度，焊接夾角不易超過30°。

2.3 模態階次的影響分析

針對1階扭轉模態開展分析，依次得到不同焊縫高度和不同焊接夾角下的模態應變比分別如圖9和圖10所示。

圖9 不同焊縫高度下的模態應變比分布

圖10 不同焊接夾角下的模態應變比分布

由圖9和圖10可知，不同焊接高度和焊接夾角對模態應變比的影響更大，分別可達227%和392%；對于1階扭轉模態，焊縫高度越高，模態應變比越低；焊接夾角在25°以下區域存在著模態應變比較高的平臺區域。以5%焊縫高度為例，焊接角度在21°～25°范圍內較為合適，而當焊接夾角小于21°時，角度差異最大可使得模態應變比出現20%左右的波動。

3 結論

(1)線性摩擦焊縫位置對于整體葉盤整體安全性影響較大，文中提出了一種通過計算模態應變比來判斷葉片危險點方法，可以用于判斷葉片振動安全性。

(2)基于文中提出的方法，對某線性摩擦焊接葉片單元件焊縫的焊縫高度和焊接夾角進行了敏感性分析。分析了第1階彎曲模態和第1階扭轉模態振型下，模態應變比隨焊縫高度和焊接夾角的變化規律，給出了較合適的焊縫高度和焊接夾角。通過分析不同焊縫高度及不同焊接夾角下的模態應變比變化規律，可根據需重點關注的模態選擇合適的焊縫位置，使得焊縫區域的模態應變比較高，提高葉片振動安全性。