马楠楠;陶春虎;何玉怀;刘新灵
【摘 要】Based on the failure analysis of blades in recent years, the common failure mode gas turbine blades and compressor blades is caused by fatigue. The blades are required to resist high mechanical load, imposed by the high rotational speed which applies a large centrifugal load and by vibration stress of blades under rotating state. The research progress of biaxial fatigue load test methods in both domestic and overseas academic circles is reviewed, including their merits and demerits. In addition, the representative international research on multiaxial fatigue test methods of blades which can simulate the effects of centrifugal load and blade vibration are emphasized. Finally, the successful experiences of foreign countries in multiaxial fatigue test methods of blades should be learned and the Chinese multiaxial fatigue test system of blades should be formed as soon as possible.%近几年航空发动机叶片失效分析的统计表明,叶片失效多由离心力叠加异常振动的多轴疲劳载荷引起.总结现有单一载荷加载、双轴载荷加载等多轴疲劳试验方法的优缺点, 并分析其在评价航空发动机叶片多轴疲劳时存在的问题.重点介绍目前国际上最新研制的可有效模拟发动机叶片受力状态的拉伸-弯曲振动多轴疲劳试验方法.建议尽快建立适合我国航空发动机叶片的多轴疲劳试验系统.
【年(卷),期】2012(032)006
【总页数】6页(P44-49)
【关键词】叶片;失效分析;多轴疲劳;试验方法
【作 者】马楠楠;陶春虎;何玉怀;刘新灵
【作者单位】北京航空材料研究院中国航空工业集团公司失效分析中心,北京100095;北京航空材料研究院中国航空工业集团公司失效分析中心,北京100095;北京航空材料研究院中国航空工业集团公司失效分析中心,北京100095;北京航空材料研究院中国航空工业集团公司失效分析中心,北京100095
【正文语种】中 文
【中图分类】V211.71
航空发动机叶片服役过程环境严苛，一旦断裂失效后果严重。通过对近100个发动机叶片进行失效统计分析，发现叶片多为在离心应力作用下叠加振动应力导致的多轴疲劳失效。多轴疲劳在力学分析、物理机制等方面比单轴疲劳复杂，叶片和叶片材料在模拟服役环境下的性能数据有助于缩短叶片的设计周期，提高叶片的安全可靠性，因此模拟叶片服役环境进行多轴疲劳试验研究一直是国际上的热点［1，2］。根据赵振业提出的“材料研制与应用全过程”理论［3］，叶片的设计选材，制造加工中的质量控制，长期使用环境分析，失效后的故障分析反馈等组成材料研制应用的全过程。在这个全过程中要进行相应的叶片材料性能测试、叶片设计验证试验、叶片强度考核试验、叶片故障再现试验等，因而模拟叶片服役环境的多轴疲劳试验系统是叶片“材料研制与应用全过程”的支撑。目前对于多轴疲劳试验的研究方式多为平面双轴拉压或拉伸-扭转等，针对航空发动机叶片的受力情况而进行的多轴载荷试验研究并不完善，数据也比较零散［4］。在这种情况下，有必要借鉴国外先进设计理念及最新多轴疲劳试验系统，开发适合航空发动机叶片的多轴疲劳试验系统， 节能装置
规范叶片材料性能的评价标准，建立叶片材料的多轴疲劳性能数据库，为航空发动机叶片设计提供更为科学的基础数据。
1 发动机叶片失效统计分析
1.1 叶片失效模式统计分析
因工况不同，发动机转子叶片的失效模式并不相同。主要失效模式为外物损伤、变形伸长和断裂。其中转子叶片的断裂失效出现的概率最高，危害最大。除外物撞击导致叶片瞬时过载断裂外，绝大多数断裂失效为疲劳断裂失效。叶片的疲劳断裂分为高周疲劳和低周疲劳，离心力和弯曲振动共同作用下的高周疲劳断裂所占比例较大［5］。
中航工业集团公司失效分析中心在2001～2012年共处理了97件叶片裂纹或断裂的故障，约占整个失效分析工作的10%，由此可见叶片失效的概率较高。其中涡轮叶片失效49件，压气机叶片40件，其他燃气涡轮叶片8件。这些叶片的工作环境虽略有差异，但在服役条件下都受到离心力叠加振动应力的载荷。图1分别给出了涡轮叶片和压气机叶片失效模式的统计。
统计结果表明，故障叶片81%的失效模式为各种形式的疲劳裂纹或疲劳断裂。由于叶片工作环境复杂，疲劳断裂多数情况下并非某种单一模式，而是两种或多种模式叠加，即“复合”疲劳断裂失效。压气机叶片与涡轮叶片服役环境不同，其失效模式略有差异，但从图1来看，除疲劳失效模式以外的其他失效，如局部掉块、变形、蠕变、过载、烧蚀等所占比例很低，与文献［6～10］相符，可见多轴载荷下的疲劳断裂是叶片失效的主要模式。
图1 2000～2012年处理的失效叶片的失效模式统计Fig.1 Statistical analysis of the failure modes of turbine blades(a)and compressor blades(b)疫苗伴侣
1.2 叶片失效原因统计分析
从叶片失效原因的统计分析来看，与叶片在复杂工况下的异常振动和异常应力有关的疲劳失效占35%左右，零件加工装配过程中质量控制引起的叶片失效也占较大比例，见图2。涡轮叶片工作温度较高，因此再结晶和短时超温等引起的失效比例较大;夹杂尘土、沙石等外来物的高速气流冲刷也会损伤压气机叶片，这些外部因素同样造成压气机叶片失效［11］。
图2 2000～2012年期间处理的失效叶片的失效原因统计Fig.2 Statistical analysis of the failure causes of turbine blades(a)and compressor blades(b)
从图2的统计可知，航空发动机转子故障叶片多为复杂载荷下的多轴疲劳失效，失效原因多为离心应力叠加振动应力所致。材质缺陷、制造质量等也是叶片失效的重要原因，但是制造过程只是设计的保障，设计上的成熟才是减少叶片失效的根本措施，而叶片材料在多轴载荷下的疲劳性能数据是叶片设计的基础，因此应模拟叶片服役环境对叶片材料多轴疲劳试验进行研究。
2 国内外多轴疲劳试验方法研究现状
近年来，人们对多轴疲劳的试验方法进行了大量研究，如通过改变试样形状采用单轴系统模拟试样材料的多轴受力载荷等。新一代电液伺服多轴疲劳试验机使某些零构件在实际服役中受到的复杂载荷历史得以再现，尤其是平面双轴和拉压-扭转等多轴受载方式，有力地支撑了多轴疲劳的研究［14］，使人们更深入地研究多轴疲劳理论机制。大灯高度可调
2.1 单一载荷加载下的多轴疲劳试验
早期的试验设备多为单轴载荷，很难模拟零构件多轴状态下复杂的载荷历史。研究人员采用单轴系统通过改变试样形状建立模拟构件多轴受力载荷的评价方法。该方法对设备要求简单，采用单一载荷即可。该种试验方法的不足是需要根据构件载荷状态设计试验件形状，对不同形状的试验件进行应力-应变分布，建立本构关系以及应力梯度效应分析。另外，试样的几何形状及表面状态直接影响到施加载荷过程中的应力集中情况，进而影响到裂纹萌生和扩展行为。试验件几何形状不同，疲劳性能也将存在差异，因此，不同几何形状的试验件测得的多轴疲劳试验数据间很难比较，需要建立相应的转化标准［15］。
2.2 双向加载方式下的多轴疲劳试验
为了比较应力应变状态和主应力方向对疲劳行为的影响，必须将试验条件统一。这更加需要能够在同样形状的试验件上实现与任意主应力方向相对应的应力应变状态。模拟实际的多轴载荷状态进行多轴疲劳试验的设备和技术在近年来得到迅速发展。新一代的电液伺服试验机实现了针对一种形状的试验件施加复杂的载荷来实现所需的多轴应力。包括拉压(弯曲)/扭转疲劳试验系统，双轴拉压疲劳试验系统，等等。此类试验机的试验加载系统必须是两套相互独立的系统，试验系统复杂，试验费用昂贵。该方法的多轴疲劳试验采用的试验件多为十字花样试验件及薄壁圆管试件。
2.2.1 十字花样试件多轴疲劳试验
Shiratori和Ikegami等人在20世纪60年代就提出了平面十字花样形拉伸试件，但是由于设计不合理，中心区受力不均匀。1967年，Pascoe和Devilliers提出了中心区比十字臂薄的试件，以此来解决中心区正应力不均匀的问题。近年来有学者设计了一种只在拉伸臂上开一些等间距窄缝的十字形拉伸试件。采用这种试件在中心区两轴受力与对应十字臂受力近似相等的假设条件下进行了十字臂双轴比例加载试验，用铝合金材料对一些屈服准则进行了验证，得到了较为满意的试验效果。采用十字花样试验件进行多轴疲劳试验可以分析零构件性能，几何形状与使用寿命的关系，优化板材的设计选料及成型工艺，有助于双轴受力下零构件的疲劳损伤模型建立和寿命预测［16］。但采用十字花样试验件进行多轴疲劳，无论从试样的几何形状还是载荷状态，都与发动机叶片所需进行的多轴疲劳试验相去甚远。
2.2.2 薄壁管状试件多轴疲劳试验
红外线加热灯
目前多轴疲劳试验方法采用最多，研究最广泛的是薄壁管试验件。薄壁管试验件是一个简单的几何结构，有着众多的工程应用背景，如飞行器的隔框蒙皮、汽车轨道、各类轴承、
微冻技术高压容器等。可以通过对其施加多种形式的载荷，如拉、扭、内压、外压等，来实现所需要的应力或者应变状态。
王雷、王德俊［17］等人采用薄壁管状试验件，研究了在多轴加载条件下钢的循环特性变化规律，进行多轴低周疲劳寿命预测，发现简单地将单轴低周疲劳寿命的估算方法应用于多种非比例加载会给出偏于危险的疲劳寿命预测。
朱正宇等［18］采用薄壁圆管试样对航空用、汽车用等各类铝合金进行多轴比例和非比例加载试验。用弹性力学方法及弹塑性有限元方法对多轴加载下循环应力应变关系和多轴疲劳损伤累积规律进行了研究，探讨多轴非比例加载低周疲劳特性及微观机理。
ic自动烧录机国外研究学者 Véronique Doquet，H.Nakamura［19，20］等人对钛合金薄壁圆管试样在拉扭多轴非比例加载下进行试验，来研究材料在该载荷下疲劳裂纹萌生及扩展行为。在非比例多轴加载下，试样将承受更大的应变，萌生更多的裂纹，疲劳寿命为比例加载下的十分之一。尚德广，王建国，王连庆［21］等对高温合金GH4169薄壁管试样在拉扭多轴载荷下的疲劳特性及裂纹扩展机理进行了较为系统的研究。他们利用GH4169薄壁管疲劳试样测试了在控制应变拉扭循环加载情况下的数据，提出一种基于单轴疲劳材料常数和高温
蠕变特性可以同时预测单轴、多轴比例加载，多轴非比例加载下疲劳寿命模型。
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