TC11材料高低周复合疲劳试验研究

对航空发动机风扇/压气机叶片用TC11材料的高低周复合疲劳(L-HCCF)进行了试验研究.通过对试验结果的统计分析,获得了TC11材料高低周复合疲劳特性;同时,运用TC11材料高低周复合疲劳线性累积损伤评估方法,对TC11材料的疲劳寿命进行了评估并与试验结果进行了对比,预测结果与试验结果基本吻合.本文研究可为在役发动机...     

基于整机试车的涡轮叶片高低循环复合疲劳试验技术

针对航空发动机涡轮叶片同时承受高循环载荷和低循环载荷的特征,以小推力涡喷发动机为研究对象,搭建了基于引电器的涡轮叶片动应力测量系统,利用数值模拟和试验测试结合的方法,实现了高度为30mm的涡轮叶片在40000r/min转速、950℃环境温度条件下的动应力测量,并以此为基础发展了整机高低循环复合疲劳试验方法,开展了高压涡轮叶片高低复合疲劳整机试验。研究结果表明,该型发动机转速在34920r/min时,叶片高循环振动应力达到112.7MPa,带来了涡轮叶片的高循环疲劳损伤且是引起涡轮叶片产生裂纹的主要因素,低循环疲劳载荷是导致裂纹扩展的主要因素,两者综合作用会显著影响涡轮叶片寿命。      

4种典型航空钛合金材料高温裂纹扩展性能对比试验

试验测定了4种典型航空钛合金材料（即TC18、TC21、TC4 DT、Ti 6Al 4V/ELI）在两种温度（25℃和250℃）下裂纹扩展性能,在试验数据的基础上,进行裂纹扩展性能对比分析,并对试样断口进行扫描电镜(SEM)分析,研究了高温和载荷联合作用对裂纹扩展的影响机理,结果表明:不同温度下,不同钛合金材料裂纹扩展速率之间存在很大的差异性;与室温断口相比,高温断口表面呈现浅黄色,并伴有大量二次裂纹;钛合金的裂纹扩展性能是受温度和载荷的联合作用影响,裂纹闭合和氧化作用共同决定了其扩展历程。      

变幅载荷对高温合金裂纹萌生及扩展寿命的影响

为了更好地分析航空发动机用高温合金裂纹萌生阶段的变幅载荷对高温材料的低周疲劳裂纹萌生及扩展寿命的影响,将低周疲劳的裂纹萌生过程视作损伤累积过程,基于连续损伤力学建立了低周疲劳损伤累积模型.结合室温下GQGH4169合金的裂纹扩展试验数据,通过有限元建模计算和数值分析方法确定了模型中具体的损伤参数数值,并对裂纹萌生寿命进行了预测.结果表明:该方法不但能准确地预测变幅加载下CT试样的裂纹萌生寿命,而且能很好地反映萌生阶段变幅载荷对裂纹扩展寿命的影响,而且降低了试验成本.     

低周载荷对高周裂纹裂尖塑性区的影响

为探明高低周复合疲劳裂纹扩展中高低周载荷交互作用机理,采用弹塑性有限元模型模拟了含中心裂纹试件在高低周载荷交互作用下裂尖塑性区的变化.结果表明:低周载荷的卸载作用导致高周载荷对应的裂尖反向塑性区明显减小,裂纹闭合水平也因此降低,进而加速裂纹扩展,致使高低周复合疲劳裂纹扩展寿命降低.在此基础上,对比研究了低周载荷应力比、高周载荷应力比、高低周载荷循环比对裂尖反向塑性区的影响.结果表明:随着低周载荷应力比降低、高周载荷应力比增加,循环比的减少,均导致低周载荷的卸载作用增加.      

高低周复合载荷对TC11钛合金疲劳性能的影响

为了解高周振动应力对TC11钛合金疲劳性能的影响,进行了TC11的低周疲劳、高周疲劳、以及高低周复合疲劳试验.试验结果表明:高低周复合循环降低了TC11钛合金的抗疲劳性能;复合循环载荷中,高周平均应力水平 σ _major和应力比 R _minor对高低周复合寿命有较大的影响.采用扫描电子显微镜(SEM)比较分析了不同类型载荷下的断口宏观和微观形貌特征,高低周复合疲劳断口与高周断口有较明显的区别,高低周复合载荷中的低周循环引起的较大滑移是引起疲劳寿命降低的主要原因.      

TC17钛合金超高周弯曲振动疲劳试验

基于航空发动机叶片基本失效形式,开发了悬臂梁式弯曲振动超声疲劳试验系统(激振频率20kHz),设计了能模拟叶片振动、适合于超高周弯曲振动疲劳试验的试件.利用该系统开展了钛合金TC17超高周弯曲振动疲劳试验研究,分析了断口的金相图.结果发现:裂纹萌生有表面和次表面两种模式,并不依赖于内部夹杂和缺陷,没有发现内部裂纹萌生迹象,次表面裂纹扩展也不呈“鱼眼”形貌.与文献所述的“鱼眼”形貌特征不同.      

压气机叶片复合疲劳试验系统的设计及疲劳寿命分析

为了模拟航空发动机工作典型状况,研究高低周复合疲劳对某型一级压气机叶片疲劳性能的影响,设计了高低周复合疲劳试验系统,进行了复合疲劳试验,振动试验及仿真分析;确定了叶片一阶振动频率为1530Hz,得出复合疲劳试验较纯低周加载缩短叶片寿命的作用高达586%。通过分析中值S N曲线和P S N曲线, S N曲线拟合系数高达099。通过对复合疲劳试验后的叶片断口进行分析,叶片断口的宏观和微观性状均出现了明显的疲劳源、高周扩展区、低周扩展区以及瞬断区,找到了叶片的断裂经历了高低周复合疲劳作用形成的明显特征区,最后说明了复合疲劳试验系统设计的合理性和可行性。      

钛合金扩散焊接头复合型疲劳裂纹扩展

设计并加工了TC4扩散焊接头紧凑拉伸剪切(CTS)试样。开展了不同加载角度下的Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验。试验结果发现:在加载角度小于45°时,裂纹均沿焊缝扩展至断裂,当加载角度达到45°以上时,裂纹开始出现沿与初始裂纹面呈一定角度的方向扩展至母材的情况。使用电子显微镜结合电位法获得了裂纹扩展a-N曲线。在此基础上,采用相互作用积分法计算复合型应力强度因子,以应变能释放率为参量对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展过程进行了分析。考虑Ⅱ型裂纹所占权重引入复合比,并在此基础上建立了TC4扩散焊接头不同加载角度及载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展速率统一模型。      

TC4-DT焊接接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展实验及模拟研究

拉剪复合载荷作用下,构件中的裂纹呈现复杂的Ⅰ-Ⅱ复合型扩展模式,研究其扩展规律对准确评估构件疲劳寿命具有重要意义。针对TC4-DT钛合金电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展规律开展研究,设计并加工紧凑拉伸剪切(CTS)试样,通过开展不同加载角度下接头试样的疲劳裂纹扩展实验,得到接头Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的a-N曲线及疲劳裂纹扩展路径。在上述基础上引入Ⅰ-Ⅱ复合型等效应力强度因子并结合Paris公式建立TC4-DT电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展速率方程。采用扩展有限元法(XFEM)对复合型疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟研究,得到不同加载角度下的扩展规律,并与实验结果进行比较。结果表明:不同加载角度下Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹开裂角模拟值与实验结果误差均在10%以内,并且扩展路径均与实验结果吻合;XFEM能够有效预测复合型疲劳裂纹扩展路径。     

NiTi合金榫接结构微动疲劳研究及数值模拟

利用NiTi合金的独特性质,提出了将NiTi合金作为压气机榫接结构的材料.通过有限元软件MSC.Marc进行数值模拟,研究在低周、高低周复合载荷作用下NiTi合金抗微动疲劳特性,并提出利用节点的微动综合参数(FFD)值确定危险点,用名义应力法预测构件的微动疲劳寿命的方法.结果表明:提出的微动疲劳寿命预估方法是合理有效的,NiTi形状记忆合金的抗微动疲劳特性明显优于TC11等普通材料.      

含裂纹叶片的失谐叶盘对航空发动机振动特性的影响

某型航空发动机装配有含裂纹叶片的失谐叶盘,基于该型发动机的性能试验,对其排气机匣振动数据进行分析,研究叶盘失谐对发动机转子动力学特性的影响.主要对比了叶盘裂纹长度与整机振动特性的关系,证明了裂纹不仅改变整机振动频率的成分组成,同时,主要频率成分的振动幅值也有较大增加.然而,当裂纹长度比小于0.3,整机振动对叶盘失谐并不敏感,这一论断为在发动机试验中及时判断叶片裂纹故障提供支持.      

整体叶盘铣削数控编程与加工技术

整体叶盘有良好的结构完整性、轻质化、装配环节少、装配精度高等优点,已被广泛应用于航空发动机中。根据整体叶盘的切削加工特征,将其简化为整体叶盘基准件,从数控编程和加工技术两方面实现整体叶盘的高质量加工。首先,利用Hyper MILL软件对整体叶盘基准件进行数控编程,优化获得理想的刀具路径,保证高效高质量的零件加工。然后,利用DMU-70V五轴加工中心对钛合金TC4整体叶盘基准件进行切削加工,在整体叶盘基准件叶片和流道几何特征的精加工时,选用不同型号的立铣刀,并监测加工过程中的切削力。最后,对加工后叶片和流道加工表面形貌进行测试分析,并结合切削力对比分析国产刀具和进口刀具对钛合金整体叶盘的切削加工性能。     

Reliability analysis of aero-engine blades considering nonlinear strength degeneration

To comprehensively consider the effects of strength degeneration and failure correlation, an improved stress-strength interference (SSI) model is proposed to analyze the reliability of aeroengine blades with the fatigue failure mode. Two types of TC4 alloy experiments are conducted for the study on the damage accumulation law. All the parameters in the nonlinear damage model are obtained by the tension-compression fatigue tests, and the accuracy of the nonlinear damage model is verified by the damage tests. The strength degeneration model is put forward on the basis of the Chaboche nonlinear damage theory and the Griffith fracture criterion, and determined by measuring the fatigue toughness during the tests. From the comparison of two kinds of degeneration models based on the Miner’s linear law and the nonlinear damage model respectively, the nonlinear model has a significant advantage on prediction accuracy especially in the later period of life. A time-dependent SSI reliability model is established. By computing the stress distribution using the finite element (FE) technique, the reliability of a single blade during the whole service life is obtained. Considering the failure correlation of components, a modified reliability model of aero-engine blades with common cause failure (CCF) is presented. It shows a closer and more reasonable process with the actual working condition. The improved reliability model is illustrated to be applied to aero-engine blades well, and the approach purposed in this paper is suitable for any actual machinery component of aero-engine rotor systems.     

考虑裂纹形状变化的TC4钛合金振动疲劳裂纹扩展寿命预测

对TC4板材试件进行振动疲劳裂纹扩展试验,测得裂纹扩展寿命与裂纹长度之间的关系.使用超景深显微镜对裂纹形状进行观测和分析,拟合裂纹形状参数.将拟合表达式应用于应力强度因子幅值的计算中,并对裂纹扩展寿命进行预测.结果显示:裂纹形状参数对预测结果影响较大.当该参数取定值时,预测结果与试验结果误差较大.而所拟合的拟合表达式可以简单、准确地预测裂纹扩展寿命.      

选区激光熔化TC4小裂纹扩展特性数值模拟

发展了一种考虑微观组织的选区激光熔化（SLM）钛合金TC4小裂纹扩展数值模拟方法。基于SLM TC4的微观组织观测结果,利用Voronoi算法并通过晶体取向筛选,实现了微观组织建模。在此基础上,采用扩展有限元法建立了SLM TC4材料小裂纹扩展行为模拟方法,探究沉积方向以及晶粒尺寸、晶体取向等微观组织对小裂纹扩展速率的影响规律。结果表明:沉积方向影响材料的裂纹扩展抗力,沉积方向与裂纹扩展方向平行时,材料抵抗疲劳小裂纹扩展的性能相对更好。晶粒尺寸影响小裂纹扩展速率,晶粒尺寸越大,小裂纹扩展速率越快。晶体取向影响速率的波动性,不同晶体取向材料的小裂纹扩展速率上下界有明显差异。      

模拟打伤/抛修缺口对TC17钛合金叶片振动疲劳性能的影响

研究了无缺口、打伤缺口和3种抛修缺口对TC17钛合金叶片振动疲劳性能的影响。结果表明,无缺口模拟叶片的疲劳寿命最长且寿命分散性最小,打伤缺口模拟叶片的疲劳寿命最短且寿命分散性最大,3种抛修缺口模拟叶片的疲劳寿命介于前两者之间,其中抛修缺口Ⅰ模拟叶片的疲劳寿命最长。无缺口和抛修缺口模拟叶片的疲劳裂纹均起源于叶片根部,打伤缺口模拟叶片的裂纹产生于缺口底部,与有限元模拟计算的最大应力位置吻合。模拟叶片的疲劳断裂区比较平坦,呈半椭圆形貌,疲劳源区主要位于模拟叶片表面的微小损伤处,疲劳扩展区具有典型的疲劳弧线特征,并呈现沿α/β片状组织界面开裂的特征。     

虑及高循环疲劳的裂纹型外物损伤叶片的可用极限

为了发展一种航空发动机钛合金风扇/压气机叶片外物损伤（FOD）可用极限的确定方法,对典型叶片的可用极限进行了调研,基于裂纹门槛值原理建立了应力比相关的FOD裂纹不扩展等值曲线图,根据TC4钛合金不同应力比下材料的疲劳耐久性极限强度对比了两种裂纹不扩展判据的适用性,通过该方法确定了一种典型风扇叶片撕裂/裂纹型外物损伤的可用极限。结果表明:现有维修手册中对叶片不同区域不同类型FOD的可用极限要求不同,FOD可用极限的主要限制尺寸为损伤深度,深度限制一般在1mm以内。通过裂纹不扩展等值曲线图确定的典型风扇叶片撕裂/裂纹型FOD可用极限分布在0.020~0.525mm内,可用极限沿叶片展向分布可分为三个区域:叶根区可用极限约0.08mm,叶中区可用极限约0.3mm,叶尖区可用极限约0.5mm,越靠近叶根可用极限越小。