径流式车用钛铝合金增压器涡轮叶片高温持久寿命研究

王正，李胜，杨策，张炜，刘继林

(1.中国北方发动机研究所(天津)柴油机增压技术重点实验室，天津 300400；2.钢铁研究总院高温材料研究所，北京 100081； 3.山西柴油机工业有限责任公司产品研究所，山西 大同 037036；4.中国人民解放军驻616厂军事代表室，山西 大同 037036)

径流式车用钛铝合金增压器涡轮叶片高温持久寿命研究

王正1，李胜2，杨策3，张炜4，刘继林4

(1.中国北方发动机研究所(天津)柴油机增压技术重点实验室，天津 300400；2.钢铁研究总院高温材料研究所，北京 100081； 3.山西柴油机工业有限责任公司产品研究所，山西 大同 037036；4.中国人民解放军驻616厂军事代表室，山西 大同 037036)

针对径流式车用钛铝合金增压器涡轮，分析涡轮叶片的载荷与应力空间分布特征，指出叶片高温持久断裂失效模式是钛铝合金增压器涡轮的潜在失效模式之一。试验研究钛铝合金增压器涡轮的高温持久性能，给出钛铝合金涡轮高温持久寿命同应力与温度之间的数学关系。基于发动机耐久性台架考核试验剖面，建立钛铝合金增压器涡轮对应叶片高温持久断裂失效模式的寿命预测模型，并对某型车用钛铝合金增压器涡轮的叶片高温持久寿命进行预测。研究表明，该型钛铝合金增压器涡轮叶片高温持久寿命高于服役寿命，能够满足使用要求。

钛铝合金；涡轮；涡轮叶片；高温性能；寿命预测

涡轮增压器是发动机提升功率密度和增强高原环境适应性的关键部件[1-2]。作为涡轮增压器的核心零部件之一，涡轮叶轮的可靠性对涡轮增压器或增压系统的可靠性有着十分重要的影响。

现有的径流式车用增压器涡轮普遍采用镍基铸造高温合金K418材料制造，由于K418合金材料的密度较大(8.0×103kg/m3)，用其制造的增压器涡轮转动惯量也相应较大，导致涡轮增压发动机的瞬态响应性较差。为有效降低涡轮增压器转子的转动惯量、提高涡轮增压发动机的瞬态响应性，增压器涡轮叶轮可以采用钛铝合金、陶瓷等材料。

钛铝合金材料不仅具有密度小(其密度为3.9×103kg/m3)、比弹性模量较高等特点，而且具有良好的高温性能与抗氧化性能。用钛铝合金制造增压器涡轮叶轮，能够大幅度降低涡轮增压器转子的转动惯量，有效提高涡轮增压发动机的瞬态响应性能。近年来，围绕钛铝合金增压器涡轮的工程化应用，国内外学者和技术人员从不同角度对其进行了研究[3-7]。李胜等针对钛铝合金增压器涡轮的铸造成型问题，研究了既能保证钛铝合金涡轮叶片成形又能形成择优取向层片组织的型壳预热温度范围，并用铸造板片模拟叶片组织，通过测试抗弯强度和缺口拉伸性能对其可靠性进行了评价[3]；门日秀等针对钛铝增压器涡轮叶轮的超速破坏失效模式，通过对涡轮超速破坏断口进行宏微观分析，研究了钛铝合金增压器涡轮的超速破坏断裂机理[4]；T. Tetsui和S. Ono通过分析钛铝合金增压器涡轮在实际载荷环境下的破坏过程以及合金成分与微结构对强度的影响，研究了钛铝合金用于柴油机增压器涡轮的耐久性问题[5]。从国内外的研究现状来看，目前对钛铝合金增压器涡轮的研究主要集中在钛铝合金制备与钛铝合金涡轮的成型工艺方面。尽管有关于钛铝合金涡轮在小型车用涡轮增压器中应用的报道，但是针对钛铝增压器涡轮叶轮的失效模式与结构可靠性还有待进行深入系统研究。

本研究针对车用径流式钛铝合金增压器涡轮潜在的叶片高温持久断裂失效模式，分析钛铝合金增压器涡轮的多场载荷与应力分布特征，通过试验研究钛铝合金增压器涡轮的高温持久性能。在此基础上，建立起钛铝合金增压器涡轮对应叶片高温持久断裂失效模式的寿命预测模型。

1 钛铝合金增压器涡轮的载荷与应力研究

增压器涡轮工作时承受着离心载荷、热载荷和气动载荷的共同作用，载荷大小取决于涡轮的工作状态参数，即涡轮转速、进口温度、进口压力、出口温度、出口压力、气体流量等。其中，涡轮的离心载荷主要由其工作转速决定，热载荷和气动载荷同进口温度、进口压力、出口温度、出口压力、气体流量等工作状态参数相关[8]。在这里，以某车用增压器涡轮为例，研究钛铝合金涡轮的热载荷、气动载荷以及应力响应空间分布特征。

图1示出发动机在标定点工况运行时，钛铝合金增压器涡轮的表面温度分布与实体温度分布。从图1可以看出，涡轮的叶片进口处温度最高。图2示出发动机在标定点工况运行时，钛铝合金涡轮叶片在稳态气动载荷作用下的表面压力分布。从图2可以看出，在稳态气流作用下涡轮叶片表面上承受的气动载荷相对较小。

图1 涡轮的表面与实体温度分布

图2 增压器涡轮叶片表面的气动压力分布

图3示出发动机在标定点工况运行时，钛铝合金涡轮叶片在离心载荷、热载荷和稳态气动载荷共同作用下的应力空间分布特征。从图3可以看出，涡轮叶片的最大应力出现在叶根。

结合图1和图3可知，钛铝合金增压器涡轮工作时，涡轮的最大应力出现在叶片根部，而且该部位受高温燃气冲刷，同时还处在高温环境下工作。因此，钛铝合金增压器涡轮随车用发动机长时间工作时，有必要针对钛铝合金涡轮潜在的叶片高温持久断裂失效模式开展寿命预测研究。

图3 钛铝合金涡轮在离心载荷、热载荷和稳态 气动载荷共同作用下的应力分布

2 钛铝合金增压器涡轮高温持久性能研究

为有效确定钛铝合金增压器涡轮的高温持久强度性能，从钛铝合金增压器涡轮上进行取样，设计加工了高温持久性能试验样件(见图4)，并在试验机上对试验样件的高温持久强度性能进行测试。试验结果见表1。

图4 钛铝合金增压器涡轮高温持久性能试样

序号温度T/℃应力s/MPa持久寿命t/h1600500189.52700360256380025093

图5示出经过试验测试后的钛铝合金增压器涡轮高温持久强度性能样件，图6示出钛铝合金增压器涡轮高温持久性能试样的断口。

根据钛铝合金增压器涡轮高温持久性能试样测试结果，可以近似得到钛铝合金涡轮高温持久寿命同应力与温度之间的数学关系：

式中：t表示持久寿命；T表示温度；s表示应力。

图5 钛铝合金增压器涡轮高温持久性能试样(测试后)

图6 钛铝合金增压器涡轮高温持久性能试样断口

3 钛铝合金涡轮叶片持久寿命预测研究

由于缺乏钛铝合金涡轮增压器所匹配发动机的实测工作状态参数，本研究基于发动机的耐久性台架考核试验剖面(见图7)，对钛铝合金增压器涡轮的叶片持久寿命进行预测。

图7 发动机的耐久性台架考核试验剖面

由图7可知，发动机的耐久性台架考核试验剖面主要由以下4种工况组成：1)发动机转速为标定转速，扭矩按外特性；2)发动机转速为标定转速的88%，扭矩按外特性；3)发动机转速为标定转速的80%，扭矩按外特性；4)发动机转速为最大扭矩转速，扭矩为最大扭矩。

针对发动机耐久性台架考核试验剖面的4种主要工况，运用GT-Power软件建立发动机与增压器的联合工作过程仿真模型，计算得到发动机在4种不同工况下运行时，增压器涡轮的转速、进口温度、出口温度、流量等参数。采用有限元法计算得到发动机在4种工况下运行时，钛铝合金增压器涡轮叶片危险部位的应力及温度值(见表2)。

表2 钛铝合金增压器涡轮叶片危险部位的应力及温度值

由式(1)可知，在恒定温度T与恒定应力s作用下，钛铝合金增压器涡轮对应叶片持久断裂失效模式的单位小时损伤量为

式中：t(T,s)表示钛铝合金涡轮对应温度T和应力s时的高温持久寿命。

根据线性累积损伤法则，钛铝合金增压器涡轮在N个不同的温度与应力作用下对应叶片持久断裂失效模式的累积损伤量可以表示为

式中：t(Ti,si)表示钛铝合金增压器涡轮对应温度Ti和应力si时的高温持久寿命；ti为涡轮在温度为Ti和应力为si的条件下工作的时间。

结合图7所示的发动机耐久性台架考核试验剖面，运用式(3)可以得到在发动机耐久性台架考核试验剖面的一次试验循环(试验时间为10 h)过程中，钛铝合金增压器涡轮对应叶片持久断裂失效模式的累积损伤量为

进一步可以得到以发动机耐久性考核试验剖面循环次数为寿命度量指标时，钛铝合金增压器涡轮对应叶片持久断裂失效模式的寿命为

将表2所示的钛铝合金增压器涡轮叶片危险部位的应力及温度值代入式(5)，可以得到该钛铝合金增压器涡轮对应叶片持久断裂失效模式的寿命为260 430次发动机耐久性考核试验剖面循环，高于涡轮增压器的实际服役寿命。因此，可以确定该型钛铝合金增压器涡轮在实际使用过程中不会发生叶片持久断裂失效，能够满足使用要求。

4 结束语

针对径流式车用钛铝合金增压器涡轮，分析了涡轮的载荷与应力空间分布特征；根据涡轮的应力与热载荷分布特征，指出叶片高温持久断裂是钛铝合金增压器涡轮的潜在失效模式之一。

研究了钛铝合金增压器涡轮的高温持久性能，采取钛铝合金涡轮取样，设计了高温持久性能试验样件，根据试验结果给出了钛铝合金增压器涡轮高温持久寿命同应力与温度之间的数学关系。

建立了基于发动机耐久性台架考核试验剖面的钛铝合金增压器涡轮叶片高温持久寿命预测模型，并对某型钛铝合金涡轮寿命进行了评估；研究表明，该型钛铝合金增压器涡轮叶片高温持久寿命高于服役寿命，能够满足使用要求。

[1] 蒋德明.内燃机的涡轮增压器[M]．北京：机械工业出版社，1986.

[2] 刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究[M]．北京：北京理工大学出版社，2013.

[3] 李胜,朱春雷,王剑,等.有利于钛铝合金增压涡轮可靠性的铸造组织[J]．铸造技术，2011,32(8):1075-1077.

[4] 门日秀,王秀娟,王正,等.增压器TiAl合金涡轮超速破坏失效模式下的断裂机理分析[C]//2011年全国机械行业可靠性技术学术交流会.大同：[出版者不详]，2011：134-136.

[5] Tetsui T,Ono S.Endurance and composition and microstructure effects on endurance of TiAl used in turbochargers[J]．Intermetallics,1999(7):689-697.

[7] Toshimitsu Tetsui.Development of a TiAl turbocharger for passenger vehicles[J]．Materials Science and Engineering,2002,A329-331:582-588.

[8] 王增全,王正.车用涡轮增压器结构可靠性[M]．北京：科学出版社,2013.

HighTemperatureLifePredictionofTiAlTurbineBladeforVehicleRadialTurbocharger

WANG Zheng1,LI Sheng2,YANG Ce3,ZHANG Wei4,LIU Jilin4

(1.Key Laboratory of Diesel Engine Turbocharging Technology,China North Engine Research Institute(Tianjin),Tianjin 300400,China;2.High Temperature Materials Division,China lron and Steel Research Institute Group,Beijing 100081,China;3.Institute of product development,Shanxi Diesel Engine Co.,Ltd.,Datong 037036,China;4.The Military Representative Office of PLA in 616 Factory,Datong 037036,China)

The spatial distribution characteristics of load and stress of turbine blade for the TiAl turbine of vehicle turbocharger were analyzed and the turbine blade fracture caused by high temperature was determined as one of the potential turbine failure modes. Then the high temperature rupture property of TiAl turbine was studied through test and the mathematical relationship between the high temperature life and the stress and temperature parameters was built. Based on the endurance test profile of vehicle engine, the high temperature life prediction model of TiAl turbine was further developed and the high temperature rupture life of TiAl turbine was predicted with the model. The result shows that the high temperature life of TiAl turbine is longer than the set service life, which can meet the application demands.

TiAl alloy;turbine;turbine blade;high temperature characteristic;life prediction

袁晓燕]

2017-10-12；

2017-12-01

国家自然科学基金项目(51375465)

王正(1981—)，男，研究员，博士，主要研究方向为涡轮增压器结构可靠性、柴油机可靠性技术、机械可靠性理论及应用；wzneu@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.015

TK423.5

B

1001-2222(2017)06-0075-04