浅谈航空发动机材料和工艺安全性评估

李翔，李雪罡，张萌

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）

航空发动机作为典型热动力机械设备，具有气动负荷大、机械负荷高、对耐久性要求高的特点，由多个精密零部件构成，其可靠性水平以及使用性能密切关系到飞机的飞行安全以及整体性能水平。本文针对航空发动机材料和工艺的安全性评估问题展开研究与分析，希望能够引起业内人士的关注与重视。

1 材料工艺与航空发动机性能、质量、可靠性关系

众所周知，新型材料工艺对航空发动机关键结构部件竞争实力的提升产生了重要影响，相关制备技术的改进对于航空发动机推重比的提高有重要意义。随着相关经验的不断累积，航空发动机质量与可靠性对材料工艺可靠性水平的依赖正不断加大，产品失效与设计工艺存在的关联性也不断提升。由此可见，促进材料工艺可靠性水平的提升对提高航空发动机可靠性水平至关重要，围绕材料工艺的可靠性问题进行研究关系到安全性评估的水平，更对降低研制风险、提高发动机可靠性水平有重要影响。

2 材料工艺可靠性分析

为促进航空发动机产品可靠性水平的提升，必须从研制阶段开始将可靠性工程理念贯穿至使用环节。可靠性工程理念的核心是将产品可靠性水平的保障与提升作为目标，以既有资源条件为约束，对各类故障进行最大限度的控制与修正。在这一工程理念实践过程中，可靠性设计的重要性是相当突出的，其本质是从产品性能、使用、维修、费用等多个方面入手予以综合把控与平衡，以确保产品达到最优设计状态，而材料与工艺正是其中的基础与核心所在。换言之，航空发动机材料工艺安全性的评估对于保障产品设计可靠性水平具有重要意义。

从材料性能评价指标的角度上来说，在对不同航空发动机材料疲劳性能进行综合比选时，往往以材料疲劳数据对数平均值为首选指标，认为在应力水平同等的前提下，中值寿命较长（即平均对数寿命较长）的材料具备更良好的疲劳性能，且省略了对数据分散性的比较。但实际情况是，针对航空发动机材料的疲劳试验结果往往会呈现出较大的分散性特征，在载荷作用力一致的情况下，疲劳数据高值与低值间可能存在百倍以上的差异，因此，其分散性水平从一定程度上可以体现航空发动机材料的性能水平以及工艺技术的稳定性水平，是评估材料疲劳性能的重要参量之一。

对于航空发动机而言，材料工艺之所以出现失效问题，核心原因可以解释为应力与强度干涉因素。对于航空发动机结构构件而言，为确保其实际应用的可靠性水平，强度应当高于外部荷载所致总应力水平。零部件是否存在失效问题，不但受到应力与强度平均值的影响，还与应力、强度分布规律存在密切关联性。

一般来说，在强度高于应力且剔除干涉、重叠问题的情况下，零件不会产生失效问题。若考虑存在干涉或重叠问题，则相应零件也就存在一定的失效可能性。从这一角度上来说，对航空发动机材料和工艺可靠性问题研究的核心就是引入损伤容限思想，尽可能规避因工艺技术或材料构件自身所致的强度、应力干涉问题。

这里所提到的损伤容限思想是指：对于航空发动机材料构件而言，在服役前肯定受到初始缺陷的影响，构件的总寿命实质上由初始缺陷或裂纹扩展至临界裂纹的寿命决定。受到工艺技术局限性的影响，航空发动机材料或某些关键构件中必然存在一些微观缺陷，如气孔、夹杂等，加工环节中相关技术应用也可能导致材料表面出现加工缺陷，或因残余应力、表面组织状态等因素对材料疲劳抗力产生一定程度的影响。在此过程中，引入损伤容限设计思想的核心就是将航空发动机材料中初始缺陷群等效视作非实体的当量初始裂纹。在此基础上，受到加工条件差异性的因素影响，航空发动机材料所表现出的缺陷尺寸、形状以及类型也会呈现出一定的分散性，等效化当量初始裂纹尺寸也会服从一定的概率分布规律。

多数情况下，断裂失效与疲劳损伤存在一定的相关性关系，疲劳损伤是以应力、应变幅度以及疲劳循环次数曲线为理论基础的，并引入失效概率或者存活率，纳入对平均应力因素的考量，以生成疲劳损伤估算可靠度的置信区间。尽管如此，基于对航空发动机材料性能参数分布的不确定性、尺寸构件在设计公差范畴内的波动变化，以及基于断裂学理论下航空发动机材料初始损伤程度估计不确定性等相关因素的考量，材料性能失效也存在一定的不确定性。可靠性研究的核心就是明确航空发动机材料存在的这些不确定性因素并进行规避，使其能够包容可能因载荷作用力随机变化所导致的危险应力点应力不确定性问题。

3 材料工艺可靠性研究方向

（1）新材料在工程应用条件下的损伤机理研究。随着航空发动机综合性能的不断提高，相关材料所处的工作环境条件将更加的严苛与恶劣，因此，在新材料开发中，必须不断提高其性能水平，以满足航空发动机的使用需求，如定向、单晶合金材料、钛合金材料、粉末高温合金材料等。在工程应用中，受到新材料制造加工工艺的影响，其表现出的损伤形式与特征呈现出了一定的特殊性。以定向凝固合金材料为例，在材料制作中选用定向凝固工艺，依托于晶粒择优取向的特征能够获得良好的力学性能，但与此同时，受到凝固工艺定向性的影响，导致此类材料在疲劳断裂表现上呈现出一定的特殊性，以大面积滑移平面特征为主。作为航空发动机的关键热端部件之一，涡轮盘需要承载复杂载荷作用力，在其使用温度范畴内应当具备良好的抗蠕变性能以及低循环疲劳性能。与此同时，涡轮前温度会伴随航空发动机推重比的提高而不断升高，致使涡轮盘承载温度持续提升，应用粉末高温合金材料则能够很好地弥补该问题。可通过对航空发动机工程应用条件下损伤机理的研究，为结构分析体系提供参数支持，同时，为关键材料部件在使用期间的失效问题提供技术储备，对保障零件应用安全可靠有重要意义与价值。

（2）单晶、定向合金材料及其涂层损伤本构关系。单晶、定向合金表现出了良好的抗疲劳性能以及抗高温蠕变性能，在实际应用中，对提高发动机涡轮前温度、改善推重有非常重要的意义。既往研究表明：在航空发动机运行温度持续升高的过程中，部分高性能发动机工作温度已经邻近高温合金材料熔点，这一状态下为尽可能保障材料仍然具备良好的抗氧化性能以及相对稳定性，需要尝试应用热障涂层技术进行隔热处理，以确保在极高温运行状态下航空发动机叶片仍然具备良好的安全性与可靠性。目前，此类材料已经被广泛应用于工程实践环节。以航空发动机叶片为例，在实际使用过程中所承受的热载荷/力载荷是非常复杂的。尤其对于单晶、定向凝固合金材料而言，为促进叶片使用中的可靠性水平，就必须将带涂层高性能发动机叶片性能整体优化设计作为重要关注对象，尽可能挖掘提高叶片性能的举措，对叶片单晶、定向异型材料存在的损伤本构关系进行深入研究，以形成各向异型材料在考虑界面效应情况下受复杂力/热载荷作用影响的本构关系模型。有关这一问题的研究也是航空发动机叶片可靠性设计的基础问题，在评估材料力学性能，对材料耐久性与适用性问题进行研究的过程中有重要意义，还可以作为航空发动机叶片材料寿命预测模型的力学基础。

4 结语

本文从航空发动机材料以及工艺安全性评估的角度入手，对航空发动机材料及其相关工艺与航空发动机性能、质量、可靠性的相关性关系进行分析，并研究材料工艺的可靠性水平，最后，对材料工艺可靠性的研究方向进行阐述，仅供参考。