張安琴 ， 孔光明 ， 劉治國 ， 李旭東

（1. 中國航發(fā)貴陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，貴陽 550081；2. 海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，青島 266041）

0 前言

壓氣機(jī)高強(qiáng)度合金鋼葉片是航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零部件之一。因其數(shù)量多、形體單薄、載荷狀況嚴(yán)酷，在海洋腐蝕環(huán)境和周期性氣流激振力耦合作用下極易發(fā)生腐蝕振動疲勞失效，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)性能、壽命及可靠性[1]。因此，構(gòu)建服役的海洋環(huán)境下的發(fā)動機(jī)葉片振動疲勞壽命預(yù)測模型，對于提高發(fā)動機(jī)的安全性和可靠性尤為重要。

腐蝕疲勞是高強(qiáng)度合金鋼結(jié)構(gòu)的一種常見失效形式，具有突發(fā)性高、破壞性強(qiáng)、危害性高等特點(diǎn)，因而備受業(yè)界關(guān)注。數(shù)十年來，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者致力于高強(qiáng)度合金鋼結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞的研究工作，為該類結(jié)構(gòu)在腐蝕疲勞方面的試驗(yàn)開展、機(jī)理探索以及工程應(yīng)用夯實(shí)了基礎(chǔ)。郭宏超等[2]根據(jù)海洋浪濺區(qū)的特征，對高強(qiáng)鋼材進(jìn)行了室內(nèi)加速腐蝕與高周疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)疲勞壽命受應(yīng)力水平和腐蝕損傷耦合影響程度明顯；在低應(yīng)力水平下，當(dāng)腐蝕周期為60 d時，試件的疲勞極限值降低了30.15%。李松梅等[3]研究了應(yīng)力比和腐蝕環(huán)境對超高強(qiáng)度鋼疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。劉正發(fā)等[4]利用鹽霧實(shí)驗(yàn)及電化學(xué)方法，研究了某型壓氣機(jī)葉片材料及覆有TiN層后葉片的耐腐蝕性能，通過失重法計算出鹽霧實(shí)驗(yàn)后試樣的腐蝕速率。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本研究聚焦航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)合金鋼葉片在服役環(huán)境下載荷復(fù)雜、多環(huán)境因素耦合，以及多種失效模式下的壽命評估難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題，以0Cr16Ni系列合金鋼葉片結(jié)構(gòu)為研究對象，分別開展10個當(dāng)量日歷年限下模擬沿海環(huán)境的預(yù)腐蝕試驗(yàn)和預(yù)腐蝕試驗(yàn)后振動疲勞試驗(yàn)，以期獲得腐蝕環(huán)境下葉片振動疲勞壽命變化規(guī)律，建立對疲勞壽命具有影響作用的腐蝕影響系數(shù)C-T曲線表達(dá)式，開展服役環(huán)境下葉片疲勞壽命分析，為外場腐蝕損傷檢測、維修及壽命管理提供重要的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

試驗(yàn)用壓氣機(jī)葉片的材料為0Cr16Ni系列合金鋼，屈服強(qiáng)度σ0.2=980 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=1155 MPa（0 ℃）。其化學(xué)成分見表1。

表1 0Cr16Ni系列合金鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Chemical composition of the tested steels 0Cr16Ni (mass fraction /%)

1.1 壓氣機(jī)葉片結(jié)構(gòu)加速預(yù)腐蝕試驗(yàn)

為了準(zhǔn)確模擬裝備服役狀態(tài)下的腐蝕環(huán)境，再現(xiàn)腐蝕環(huán)境對壓氣機(jī)葉片結(jié)構(gòu)疲勞行為的影響，參照文獻(xiàn)[5-8]腐蝕損傷等效原則中將實(shí)測的環(huán)境要素數(shù)據(jù)編制出當(dāng)量加速試驗(yàn)環(huán)境譜的方法，設(shè)計壓氣機(jī)葉片加速腐蝕試驗(yàn)方案。該方案中的環(huán)境介質(zhì)及其作用強(qiáng)度、作用規(guī)律如圖1所示。其中，介質(zhì)環(huán)境為5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）NaCl水溶液摻入稀H2SO4，使其成為pH=4±0.2的弱酸性溶液；一個試驗(yàn)周期內(nèi)，溶液內(nèi)浸泡與溶液外烘烤的交變次數(shù)為335，每次浸泡時間為5.07 min，溶液外烘烤時間為15.81 min。方案中試驗(yàn)合計時間為116.63 h，其腐蝕作用相當(dāng)于壓氣機(jī)葉片在服役環(huán)境下1個當(dāng)量日歷年限時間的腐蝕強(qiáng)度。

圖1 加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜Fig.1 Accelerated corrosion test environment spectrum

加速腐蝕試驗(yàn)共開展10個當(dāng)量日歷年限的仿真加速腐蝕試驗(yàn)，每周期試件數(shù)量為8件，采用三維顯微鏡對各個周期的試件表面進(jìn)行腐蝕損傷觀測。由試驗(yàn)結(jié)果可知，第5個當(dāng)量日歷年限下的葉片表面開始出現(xiàn)明顯腐蝕損傷，主要表現(xiàn)為變色、斑點(diǎn)，后逐漸加重；第9個當(dāng)量日歷年限下的葉片表面腐蝕區(qū)域開始逐漸增多，形成區(qū)域化斑點(diǎn)損傷。部分試件表面腐蝕形貌見圖2。

圖2 第10個當(dāng)量日歷年限的葉片腐蝕外觀形貌Fig.2 Surface morphology of the compressor blade after corrosion in the 10th calendar years

1.2 壓氣機(jī)葉片應(yīng)力分析與振動疲勞試驗(yàn)

為了得到壓氣機(jī)葉片的一階彎曲振動頻率和最大振動應(yīng)力位置，在進(jìn)行振動疲勞試驗(yàn)前首先對壓氣機(jī)葉片進(jìn)行模態(tài)分析。將壓氣機(jī)葉片UG實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS軟件，選取20節(jié)點(diǎn)的SOLID 95單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于造型復(fù)雜，SOLID 95單元通過合并節(jié)點(diǎn)時自動退化為10節(jié)點(diǎn)四面體單元，設(shè)定質(zhì)量密度ρ=7.8 g/cm3，泊松比ν=0.3，彈性模量E=204.1 GPa。計算得到壓氣機(jī)葉片的一階彎曲自振頻率為521.8 Hz，最大應(yīng)力位置在葉片根部圓角位置。葉片一階彎曲振型及應(yīng)力分布見圖3。

圖3 葉片一階彎曲振型及應(yīng)力分布Fig.3 The first bend modal shape and stress distribution of the blade

考慮到葉片的疲勞壽命與應(yīng)力水平密切相關(guān)，在試驗(yàn)前需要以應(yīng)力水平最高的根部圓角位置的應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)為基礎(chǔ)，將疲勞應(yīng)力轉(zhuǎn)化為整個疲勞試驗(yàn)過程中都可以監(jiān)測的其他物理參數(shù)，開展葉片振動疲勞試驗(yàn)應(yīng)力標(biāo)定試驗(yàn)[9-10]。試驗(yàn)樣品通過專用夾具剛性固定在振動臺的動圈上，夾具與振動臺剛性連接處布置加速度傳感器作為振動試驗(yàn)控制點(diǎn)，在葉片葉尖位置（距離葉尖3 mm）布置激光位移傳感器作為振動試驗(yàn)的響應(yīng)點(diǎn)，通過對夾具施加預(yù)緊力和加持力，檢測應(yīng)變以獲得葉片最大應(yīng)力點(diǎn)，并標(biāo)定最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力與葉尖振幅的關(guān)系，最終獲得檢測葉尖振幅控制應(yīng)力。壓氣機(jī)葉片應(yīng)力標(biāo)定試驗(yàn)貼片見圖4。

圖4 應(yīng)力標(biāo)定試驗(yàn)貼片F(xiàn)ig.4 Test patch of the strain calibration

參照HB 5277—1984《發(fā)動機(jī)葉片及材料振動疲勞試驗(yàn)方法》，以葉片達(dá)到107為無限壽命循環(huán)基數(shù)，采用升降法依據(jù)葉片材料抗拉強(qiáng)度σb和疲勞極限σ-1，各選取1～3件葉片摸索葉片應(yīng)力水平，確定試驗(yàn)載荷[11]。隨后根據(jù)摸索得到的應(yīng)力水平對壓氣機(jī)葉片，開展第0、4、7、9、10當(dāng)量日歷年限試樣的振動疲勞試驗(yàn)，獲得不同當(dāng)量日歷年限下葉片的振動疲勞壽命，結(jié)果見表2?？紤]到后續(xù)數(shù)據(jù)分析的合理性，需要對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異對比分析。

表2 不同當(dāng)量日歷年限的疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Fatigue test results in different calendar years

圖5為壓氣機(jī)葉片當(dāng)量日歷年限下對數(shù)疲勞壽命的影響規(guī)律。由圖5可知，同一腐蝕當(dāng)量日歷年限內(nèi)，葉片疲勞壽命存在一定的離散性；隨著預(yù)腐蝕時間增長，腐蝕損傷加重，葉片對數(shù)振動疲勞壽命呈線性遞減規(guī)律，說明環(huán)境腐蝕損傷對葉片結(jié)構(gòu)的疲勞壽命產(chǎn)生削弱影響。

圖5 當(dāng)量預(yù)腐蝕損傷對材料疲勞性能的影響Fig.5 Influences of the equivalent corrosion damage on the fatigue performance

2 壓氣機(jī)葉片服役環(huán)境下疲勞壽命分析

2.1 腐蝕影響系數(shù)

為了準(zhǔn)確評估腐蝕環(huán)境對葉片疲勞壽命的影響，文獻(xiàn)[12-15]中采用腐蝕影響系數(shù)將腐蝕條件下的飛行小時數(shù)等損傷折算為當(dāng)量的一般環(huán)境飛行小時數(shù)，以達(dá)到一般環(huán)境下疲勞壽命作為評定和監(jiān)控腐蝕條件下疲勞壽命的方法。腐蝕影響系數(shù)的定義為：

式中：(Ni)50為預(yù)腐蝕第i周期試件的中值疲勞壽命，單位為循環(huán)次數(shù)；(N0)50為未腐蝕條件下試件的中值疲勞壽命，單位為循環(huán)次數(shù)。 (Ni)50、(N0)50按照計算方法為：

式中：li、l0分別為預(yù)腐蝕第i當(dāng)量日歷年限和未腐蝕年限試件的個數(shù)；Nij、N0j分別為預(yù)腐蝕第i當(dāng)量日歷年限和未腐蝕的第j個試件的疲勞壽命值。

基于上述推導(dǎo)與分析，可計算不同預(yù)腐蝕周期Ti（當(dāng)量日歷年限）下的腐蝕影響系數(shù)Ci，且可知該系數(shù)與腐蝕周期Ti相關(guān)，即可建立C-T曲線。該曲線表達(dá)葉片疲勞壽命隨預(yù)腐蝕周期的變化規(guī)律。

2.2 基于腐蝕影響系數(shù)的振動疲勞壽命分析

文獻(xiàn)[12-14]中的C-T曲線表達(dá)式采用C=1-βTα和C=exp (βTα) 2種形式，依據(jù)T=0,4,7,9,10的當(dāng)量日歷年限下疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及式（1）～式（3），計算得到不同預(yù)腐蝕當(dāng)量年限下的腐蝕影響系數(shù)Ci和C-T曲線擬合曲線，并計算和預(yù)測T=10,15當(dāng)量日歷年限下發(fā)動機(jī)葉片振動疲勞壽命。

圖6為C-T曲線冪函數(shù)式、雙參數(shù)指數(shù)函數(shù)式的擬合情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，各函數(shù)形式的擬合結(jié)果都具有良好的線性趨勢，說明C-T曲線表征腐蝕環(huán)境下壓氣機(jī)葉片結(jié)構(gòu)疲勞壽命的變化規(guī)律具有良好的適用性。

圖6 C-T擬合曲線Fig.6 C-T fitting curves

表3為基于腐蝕影響系數(shù)的壓氣機(jī)葉片預(yù)腐蝕年限下壽命預(yù)測結(jié)果。對于預(yù)腐蝕10個當(dāng)量日歷年限的試件而言，采用C=1-βTα和C=exp (βTα)2種形式腐蝕影響系數(shù)計算疲勞壽命的結(jié)果精度都比較理想，均在5%以內(nèi)。對比可知，冪函數(shù)C=1-βTα形式的腐蝕影響系數(shù)計算結(jié)果精度相對較高，由該形式預(yù)測得到的15個當(dāng)量日歷年限下的壓氣機(jī)葉片對數(shù)疲勞壽命為4.81，該壽命值與未腐蝕試件對數(shù)疲勞壽命值相比，降低約28%。

表3 基于腐蝕影響系數(shù)的葉片不同當(dāng)量日歷年限下壽命計算結(jié)果Table 3 Calculation results of blade life under different equivalent calendar years based on corrosion influence coefficient

3 結(jié)論

1）加速腐蝕試驗(yàn)中，在第5個當(dāng)量日歷年限下壓氣機(jī)葉片表面開始出現(xiàn)輕微變色、斑點(diǎn)腐蝕損傷征狀，后逐漸加重，至第9當(dāng)量日歷年限試件表面普遍形成區(qū)域化斑點(diǎn)損傷狀態(tài)。

2）構(gòu)建的C-T曲線形式C=1-0.016 59T1.05312和C=exp (-0.015 75T1.11654)均能較準(zhǔn)確地描述壓氣機(jī)合金鋼葉片預(yù)腐蝕后疲勞壽命演化規(guī)律，評估誤差約4%，表明C-T曲線在預(yù)腐蝕振動疲勞壽命預(yù)測上具有良好的適用性。

3）采用冪函數(shù)式的腐蝕影響系數(shù)計算結(jié)果精度相對較高，對15個當(dāng)量日歷年限下的壓氣機(jī)葉片進(jìn)行評估預(yù)測，其對數(shù)疲勞壽命降低約28%。