航空发动机叶片外物损伤试验模拟方法

潘 辉，赵振华，陈 伟

（南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016）

0 引言

叶片外物损伤是航空发动机在近地状态飞行时可能出现的故障之一，严重的引起叶片疲劳断裂，从而严重威胁飞机的飞行安全。20世纪90年代中期，在美国高循环疲劳科学技术计划（简称HCF计划）的支持下，对叶片FOD问题开展了大量研究工作，深入研究了FOD特征及其对叶片HCF强度的影响规律，发展和评估了FOD的试验模拟方法、数值仿真方法以及损伤叶片HCF强度的试验方法和理论预测方法，并最终形成了新的叶片FOD容限设计技术和设计准则[1]。其中研究的有6种：机械加工缺口法；摆锤/落锤法；螺线枪法；准静态挤压法；空气炮法和整机吸入试验法。从理论上讲，整机吸入试验是惟一能够精确模拟FOD对整机影响的试验方法，但由于试验费用巨大且科研价值有限，未见有相关的试验研究及论文、报告发表，故不对其作深入探讨。其余5种试验模拟方法可以概括为4类：机械加工缺口法、低速冲击方法、准静态挤压法和高速弹道冲击法。本文对这4类方法进行概述分析，详细介绍其基本原理、特点及应用情况，以期为国内深入开展相关的试验研究工作提供参考。

1 机械加工缺口法

机械加工缺口法具有操作简单、可重复性和可控制性强、试验成本低等特点，在早期的FOD研究中被广泛采用。1959年，英国RR公司的Dunham等[1]首次运用该方法在钢、钛、铝3种材料的真实叶片上模拟了FOD，研究了在1弯振型下损伤叶片的疲劳强度。1990年，乔文逍等[2]根据GJB241-87的要求，在某发动机第1级压气机转子叶片上机械加工了Kt=3的缺口，并在发动机试车台上进行了初步的叶片抗FOD能力考核试验。然而，机械加工的模拟损伤不具有典型的FOD特征，其损伤缺口附近几乎不存在残余应力场、微小裂纹和微观结构损伤。在HCF计划中，基于机械加工缺口法的大量试验研究表明[3]：机械加工的损伤缺口尺寸同FOD缺口尺寸之间没有必然联系。由此可见，通过机械加工缺口法在叶片或试样（统称“目标体”，下同）上模拟FOD，并以此为基础评估叶片的抗FOD能力，从本质上讲是不科学的。

2 低速冲击方法

低速冲击方法是相对简单的1种FOD试验模拟方法，包括摆锤/落锤法和螺线枪法。其基本原理：基于能量等效原则，以低速冲击过程（＜10 m/s）模拟FOD。该方法是HCF计划中模拟FOD的1类重要方法，在研究FOD对材料或简单部件疲劳强度的影响方面有着较为广泛的应用。

低速冲击方法的基本试验过程：固定目标体，刀口在外力驱动下加速并冲击目标体，产生模拟FOD。在摆锤/落锤法中，加速刀口的驱动力是重力，冲击能量通过调整摆臂转角/落锤竖直高度控制。在摆锤试验中，冲击过程将导致摆臂反弹，因此需附加设计摆臂捕获系统，以防止摆锤对目标体的2次冲击。而在落锤试验中，由于落锤质量大且运动轨迹沿竖直方向，冲击造成的反弹作用微弱，因此不存在2次冲击问题。摆锤/落锤法的优势是冲击能量计算简便，不足在于无法精确确定冲击过程所消耗的能量。与摆锤/落锤法不同，螺线枪法中加速刀口的驱动力是安培力。在螺线枪试验系统中，刀口夹头的尾部支杆上缠绕电感线圈，在给定能量条件下，电感线圈受安培力作用并促使整个“刀口-夹头-支杆-线圈”系统加速，直至冲击目标体产生模拟FOD。螺线枪法具有好的可控制性和速度可重复性，是美国GE公司模拟FOD的基准试验方法[3]。

低速冲击方法的优点是使用方便，重复性好，便于在大量目标体上快速模拟FOD，试验成本低、效率高，刀口的形状可以任意选择，以实现对特定形状FOD的模拟；主要缺点是“冲击能量-损伤深度”关系会随目标体的结构变化而变化，因此试验前必须校准这一关系。该方法能模拟出明显的残余应力场，但其量值和塑性强化特征与典型FOD引起的有明显不同。由于受冲击载荷的作用，低速冲击试验中有可能发生掉块现象。与机械加工缺口法相比，这一特征使得其模拟的FOD更为接近真实的FOD。

近年来，中国基于低速冲击方法开展了部分FOD研究工作。康继东等[4-5]分别对TC4合金平板叶片和真实叶片进行摆锤冲击试验和振动疲劳试验，对比分析了损伤叶片维修前、后的振动疲劳寿命。周胜田等[6]采用落锤法在TC4合金平板试样上模拟FOD，研究冲击损伤对TC4合金试样疲劳寿命的影响。

3 准静态挤压法

准静态挤压法的试验流程是：固定目标体到伺服液压或螺旋驱动的夹持系统，安装刀口于刀口夹头，降低夹头至刀口与目标体刚好接触，通过液压、机械或电动方式准静态驱动刀口，直至在目标体上产生预置深度的模拟FOD。采用准静态挤压法模拟FOD的深度通过夹头位移或最大载荷控制，比低速冲击方法更为方便。但是，由于受载荷扰动、刀口与目标体起始接触位置的判断误差等因素影响，试验前仍有必要校准“夹头位移/载荷-损伤深度”关系。与低速冲击方法一样，试验时刀口的形状可以任意选择，以实现对特定形状FOD的模拟。准静态挤压法也能模拟出明显的残余应力场，但其量值和塑性强化特征与典型FOD、低速冲击方法模拟的均有明显不同。特别指出的是，准静态挤压试验可提供连续的“载荷-位移”信息，使得确定输入目标体的净能量成为可能。

Mall等[7]曾用准静态挤压法在Ti-6Al-4V合金平板试样上模拟FOD（如图1所示），并进行了损伤试样的疲劳极限。结果表明：模拟损伤处有明显的塑性变形，损伤深度超过2000 μm时可见剪切裂纹，含剪切裂纹损伤试样的疲劳极限约200 MPa，且基本保持稳定，是未损伤试样疲劳极限的1/3（如图2所示）。据此认为Kf=3代表了最严重的FOD。

图2 Mall的疲劳试验结果[7]

4 高速弹道冲击法

高速弹道冲击法被认为是最能准确模拟FOD的试验方法。其基本原理是：高压气体膨胀作功，推动外物在炮管内加速，直至飞出并冲击固定在炮口前的目标体，产生模拟FOD。根据高压气体的不同来源，高速弹道冲击法可分为枪弹法和空气炮法2种形式。前者在中国仅有的2次高速弹道冲击模拟FOD试验中被采用，后者是近十余年来国外开展FOD模拟试验的主流方法。

20世纪80年代末，孙振德等[8]采用枪弹法在某型发动机叶片上模拟了FOD，对损伤叶片的剩余振动疲劳寿命及叶片的损伤容限进行了研究。其试验系统主要包括发射装置、测速装置和叶片固持装置。发射装置是口径为7.62 mm、长500 mm的1支常规步枪。待发射外物（钢珠或砂粒）装在1对尼龙弹托中并用枪油封住，弹托靠压弹器压入拔掉弹头的弹壳中。弹壳中装有片状火药，经瞄准发射后，火药爆炸产生高压气膨胀作功，加速弹托和外物使其射出枪管。在空气阻力作用下，2半弹托自行分开，外物脱离弹托后继续沿某一弹道轨迹运动，经测速装置后冲击到固持叶片的前缘，产生模拟FOD。为防止弹托击中叶片，设计了1块带狭缝的钢板安置于叶片前面，起分离弹托的作用。2009年，胡绪腾等[9]亦采用枪弹法在TC4合金平板叶片上模拟FOD，研究了FOD对TC4模拟叶片HCF强度的影响。枪弹法的主要缺点是：发射外物的速度极不稳定，即便是十分精确地控制每次试验的火药用量，依然具有很大的分散性。具体试验数据见表1。

表1 枪弹法和空气炮法外物发射速度的分散性比较

空气炮试验系统的基本结构如图3所示。与枪弹法不同，空气炮法使用压缩空气加速外物，通过调节压缩空气压力控制外物发射速度。空气炮法亦采用弹托结构，发射外物的形状、尺寸等不受炮管直径限制。而且，通过改变外物在弹托中的安装方式，可实现对外物撞击目标体姿态的控制，亦即模拟FOD形貌的控制，如图4所示。空气炮法多以光电测速系统测定外物发射速度，测速位置在炮管末端。这种设计便于缩短炮口和目标体之间的距离，从而减少外物的自由飞行距离，有助于提高试验的可重复性和可控制性。目标体的固持装置设计为转动调节机构，方便以不同的外物入射角模拟FOD。空气炮法的主要局限是可重复性和可控制性较差，但国外使用经验表明，这一局限可通过大量的使用经验积累得到改善。近10余年来，国外在空气炮法模拟FOD方面已经积累了丰富的试验经验，其外物发射速度及模拟FOD的可重复性和可控制性已经达到很高的水平。

高速弹道冲击法能够模拟出典型的FOD微观损伤特征——绝热剪切带。绝热剪切带是在高应变率条件下形成的1种微观结构损伤特征。由于受高应变率的作用，材料局部大塑性畸变产生的热量来不及传输出去，致使金属发生明显的熔化和重凝结过程，从而在塑性变形区中形成一些白色的亮带，即绝热剪切带。在交变载荷作用下，绝热剪切带容易诱使疲劳裂纹萌生并沿剪切带延伸方向扩展，引起材料或部件发生疲劳断裂失效。Roder等[10]显微观察了硬质钢珠（309 m/s）冲击Ti-6Al-4V合金平板试样的损伤缺口，绘制了其绝热剪切带的分布示意图，如图5所示。Ti-6Al-4V合金平板试样上V型模拟FOD边缘区域的背散射电子显微镜照片如图6所示。从图中可见，其绝热剪切带的分布与图5中的基本类似。绝热剪切带的存在表明：高速弹道冲击法能够再现

FOD中的高应变率过程，因而能够更为准确地模拟FOD。

为推动中国对叶片FOD问题的研究，促进中国空气炮法模拟FOD试验技术的发展，南京航空航天大学202教研室于2010年开始设计和建设用于叶片FOD模拟的空气炮试验系统，现已基本建成并投入使用，试验系统如图7所示。该试验系统可发射横截面直径为1～10 mm的各类外物（钢珠、金属块、石块等），发射速度为 100～400 m/s。目前，已利用该试验系统开展了部分研究工作，如“外物（钢珠）冲击速度对模拟FOD特征的影响分析”、“FOD 对TC4合金平板试样高低周复合疲劳性能的影响研究”等，积累了一定的试验经验，为深入开展叶片FOD问题研究奠定了基础。采用该试验系统模拟的FOD形貌如图8所示。

5 总结

（1）机械加工缺口法操作简单、可重复性和可控制性强，但模拟损伤不具有典型的FOD特征：残余应力、表面小裂纹、微结构损伤。

（2）低速冲击方法和准静态挤压法，试验相对简单，能产生残余应力场，但与FOD引起的有明显差异。

（3）高速弹道冲击法是最能准确模拟FOD的试验方法，可模拟出典型的FOD微观损伤特征—绝热剪切带。与枪弹法相比，空气炮法的可重复性和可控制性较好，是国外开展FOD模拟试验的主流方法。

（4）中国对叶片FOD的试验模拟研究不足，采用空气炮法模拟FOD的试验技术研究亟待开展。

[1]Dunham J M A,Mech G I E,Grad R Ae S.Damage to axial compressors[J].Journal of the Royal Aeronautical Society,1959,63:576-580.

[2]乔文逍，熊昌炳.航空发动机外物损伤实验技术研究[J].航空动力学报，1990，5（3）：227-228.

[3]Nicholas T.High cycle fatigue:a mechanics of materials perspective[M].Elsevoer:Elsevoer Ltd,2006:560-577.

[4]康继东.钛制压气机叶片外物损伤的维修性研究[D].南京：南京航空航天大学，1996.

[5]康继东，陈士煊，徐志怀.压气机叶片外物损伤模拟的撞击能量当量法[J].南京航空航天大学学报，1998，30（6）：611-615.

[6]周胜田，罗荣梅，黄宝宗.转子叶片的外物损伤及疲劳寿命试验研究[J].辽宁工程技术大学学报，2007，26（3）：357-359.

[7]Mall S.High cycle fatigue behavior ofTi-6Al-4V with simulated foreign object damage[J].Mechanics of materials,2001,33:679-692.

[8]孙振德.压气机叶片进气边抗外物损伤容限研究[D].南京：南京航空航天大学，1987.

[9]胡绪腾.外物损伤及其对钛合金叶片高循环疲劳强度的影响[D].南京：南京航空航天大学，2009.

[10]Roder,O,Thompson A W,Ritchie R O.Simulation of foreign objectdamage ofTi-6Al-4V gas-turbine blades.[C]//Proceedings of the Third National Turbine Engine High Cycle Fatigue Conference,Dayton,OH,1998:CD-ROM,Session 10:6-12.

[11]关玉璞，陈伟.航空发动机叶片外物损伤研究现状[J].航空学报，2006，28（4）：851-857.