張少平，李冠達(dá)，安利平，裴會平

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

纖維增強鈦基復(fù)合材料整體葉環(huán)設(shè)計技術(shù)

張少平，李冠達(dá)，安利平，裴會平

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

新材料和新結(jié)構(gòu)的開發(fā)使用是航空發(fā)動機減重的一個主要技術(shù)途徑，纖維增強鈦基復(fù)合材料制備的整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)具有明顯的減重優(yōu)勢。以SiC(f)/TA12整體葉環(huán)試驗件為例，分別從結(jié)構(gòu)、強度、工藝等方面闡述了整體葉環(huán)設(shè)計技術(shù)。利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，并采用最大應(yīng)力準(zhǔn)則和平均周向應(yīng)力準(zhǔn)則評估了整體葉環(huán)試驗件的破裂轉(zhuǎn)速。通過旋轉(zhuǎn)試驗初步驗證了整體葉環(huán)的減重效果和強度計算方法，并對今后的研究方向進(jìn)行了展望。

航空發(fā)動機；纖維增強鈦基復(fù)合材料；整體葉環(huán)；減重；結(jié)構(gòu)設(shè)計；纖維涂層法；熱等靜壓；強度分析

1 引言

航空發(fā)動機增推減重是航空動力不懈追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)發(fā)動機葉盤由于受材料強度限制，減重空間有限，要突破目前水平，實現(xiàn)未來輕質(zhì)量、高性能的發(fā)動機，新材料、新結(jié)構(gòu)的開發(fā)使用是一個主要的技術(shù)途徑。新材料方面，連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料(MMC)由于具有比強度高、耐高溫、抗疲勞和蠕變性能好等優(yōu)點[1]，受到各國航空發(fā)動機研究機構(gòu)的廣泛重視。新結(jié)構(gòu)方面，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生，如壓氣機整體葉盤、整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)。研究[2-3]表明，與傳統(tǒng)盤片分離結(jié)構(gòu)壓氣機盤相比，整體葉盤結(jié)構(gòu)可減重30%，而SiC長纖維增強鈦基復(fù)合材料(TMC)葉環(huán)鼓筒式無盤結(jié)構(gòu)可減重70%。另外，相對于傳統(tǒng)盤甚至是目前的整體葉盤轉(zhuǎn)子，整體葉環(huán)較大的內(nèi)腔空間可用于設(shè)計新型支承結(jié)構(gòu)，有利于轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計[4]。目前，減重效果明顯的整體葉盤技術(shù)已較為成熟，而更為輕質(zhì)、簡單的整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)也開始進(jìn)入人們視野。

早在20世紀(jì)80年代，美國在IHPTET計劃中研制的TMC整體葉環(huán)(直徑400 mm)，就已在驗證發(fā)動機上進(jìn)行了成功測試[5]。90年代，德國MTU公司研究的SiC(f)/TMC整體葉環(huán)完成了低循環(huán)疲勞旋轉(zhuǎn)試驗[6]。英國也在TMC的制造、特性和設(shè)計等方面進(jìn)行了研究[7]。目前，國外航空發(fā)動機強國都在研究纖維增強鈦基復(fù)合材料整體葉環(huán)技術(shù)，并已將取得成果應(yīng)用于在研和改進(jìn)發(fā)動機上，未來還將用在推重比25～30的發(fā)動機上[2]。

由于金屬基復(fù)合材料的制作成本高，工藝水平要求嚴(yán)，制備流程復(fù)雜，受金屬基復(fù)合材料制備水平限制，我國對金屬基復(fù)合材料整體葉環(huán)設(shè)計技術(shù)的研究起步較晚。僅少數(shù)科研院所、高校等單位進(jìn)行了規(guī)模不大的研究，且多數(shù)研究工作仍處于金屬基復(fù)合材料的制備和強度理論摸索階段，與國際先進(jìn)水平差距較大。中國燃?xì)鉁u輪研究院自20世紀(jì)90年代開始，在金屬基復(fù)合材料本構(gòu)模型、力學(xué)性能、疲勞壽命等方面，通過與科研院所和高校的緊密合作，推動了金屬基復(fù)合材料強度理論的應(yīng)用和相應(yīng)航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)件的研制。

目前，整體葉環(huán)公開研究成果非常少。本文以鈦基復(fù)合材料整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子強度考核件為例，闡述了單向纖維增強鈦基復(fù)合材料整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度校核、制備流程和試驗驗證，并通過試驗結(jié)果分析，初步驗證了整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的減重效果和強度計算方法。

2 整體葉環(huán)試驗件

2.1 結(jié)構(gòu)布局研究

單向纖維增強鈦基復(fù)合材料加強的整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)，主要有單環(huán)復(fù)合材料加強和多環(huán)復(fù)合材料加強兩種形式，如圖1所示。鑒于整體葉環(huán)制造工藝復(fù)雜、成本高，美國空軍研究實驗室和艾利遜先進(jìn)技術(shù)開發(fā)公司，研究出了金屬基復(fù)合材料外置環(huán)，通過把兩個外置環(huán)安裝在輪盤內(nèi)徑上，減少了生產(chǎn)和維修成本，避開了整體葉環(huán)制造的復(fù)雜工藝。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮加工等多種因素，本文中的整體葉環(huán)(圖2)采用單環(huán)復(fù)合材料布局結(jié)構(gòu)設(shè)計，由金屬基體和復(fù)合材料環(huán)組成：基體包括前、后安裝邊，盤緣和葉片，材料為TA12；復(fù)合材料環(huán)的材料為鎢芯SiC(f)/ TA12，纖維體積分?jǐn)?shù)為40%，纖維直徑為100 μm。

圖1 復(fù)合材料整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Bling structure

圖2 整體葉環(huán)試驗件Fig.2 The structure of bling specimen

2.3 強度校核

復(fù)合材料宏觀性能很多，其中力學(xué)角度最關(guān)注熱彈性性能和力學(xué)性能。熱彈性性能主要關(guān)注復(fù)合材料纖維與基體的熱變形不匹配引發(fā)的熱殘余應(yīng)力，及復(fù)合材料宏觀熱膨脹系數(shù)的各向異性特征。力學(xué)性能主要關(guān)注纖維和基體的強度，纖維的尺寸、分布及體積含量，殘余應(yīng)力及界面粘結(jié)強度等因素對復(fù)合材料剛度、強度的影響。

整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)件由于在各向同性的金屬材料中加入了纖維增強金屬基復(fù)合材料，其力學(xué)性能發(fā)生了較大變化，這是傳統(tǒng)均質(zhì)材料結(jié)構(gòu)所不具備的特點。

本文使用ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。整體葉環(huán)葉片部分采用帶厚度的平面應(yīng)力單元模擬，環(huán)身部分(基體和復(fù)合材料)和后軸頸采用PLANE183軸對稱單元模擬。邊界條件為：約束試驗件軸頸與傳動軸螺栓連接處(圖3中A處)節(jié)點的軸向位移，在整體葉環(huán)與軸頸配合面B處采用接觸單元模擬裝配接觸，并耦合螺栓中心線處的軸向位移模擬螺栓連接。假設(shè)復(fù)合材料環(huán)與金屬基體腔之間的接觸為理想連接(不分離)。

圖3 整體葉環(huán)有限元模型Fig.3 The finite element model of bling

整體葉環(huán)試驗件的應(yīng)力計算結(jié)果如圖4所示，最大Mises等效應(yīng)力出現(xiàn)在復(fù)合材料中，即復(fù)合材料承載了很大一部分周向應(yīng)力。復(fù)合材料橫向采用最大應(yīng)力準(zhǔn)則分析，周向采用平均周向應(yīng)力準(zhǔn)則分析。經(jīng)比較分析可知，周向纖維方向斷裂是試驗件的主要失效模式。由于平均周向應(yīng)力與轉(zhuǎn)速平方成正比，由此可推算出試驗件的理論臨界破裂轉(zhuǎn)速。計算結(jié)果表明，試驗件的試驗設(shè)計轉(zhuǎn)速，滿足試驗的安全性要求。

2.4 加工

從加工工藝角度，由于整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)是纖維增強金屬基復(fù)合材料和合金的結(jié)合體，因而其工藝流程相比整體葉盤和盤片分離結(jié)構(gòu)增加了兩個過程：一是預(yù)制體的制備過程；二是將預(yù)制體與合金結(jié)構(gòu)包套結(jié)合在一起的熱等靜壓過程。

2.4.1 預(yù)制體的制備

預(yù)制體的制備主要有箔-纖維-箔法、基體涂覆單層帶法、纖維涂層法[8]等，本文采用纖維涂層法制備，如圖5所示。纖維涂層法制備預(yù)制體可精確控制復(fù)合材料中纖維的體積分?jǐn)?shù)，減少殘余應(yīng)力導(dǎo)致的基體/纖維開裂。制備的預(yù)制體經(jīng)排布可獲得形狀復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，熱等靜壓后是理想的六方密排堆垛且纖維分布均勻。

圖4 ANSYS軟件計算的整體葉環(huán)應(yīng)力分布結(jié)果Fig.4 Bling stress distribution calculated by ANSYS

圖5 纖維預(yù)制體的制備方法Fig.5 The processing methods of matrix-coated fiber

2.4.2 整體葉環(huán)的制備

首先將鈦合金鍛造成環(huán)狀毛坯，切割為兩個環(huán)，然后在一側(cè)環(huán)面加工出U形環(huán)槽，在槽內(nèi)纏繞排布涂覆鈦合金的纖維預(yù)制體，并用鈦合金外環(huán)覆蓋封裝環(huán)槽，焊接密封接縫以保證真空環(huán)境，再進(jìn)行熱等靜壓，最后完成機械加工，如圖6所示[3]。熱等靜壓結(jié)合面有軸向結(jié)合和徑向結(jié)合兩種。

圖6 葉環(huán)結(jié)構(gòu)件的加工流程Fig.6 The processing flow of bling

中國燃?xì)鉁u輪研究院與沈陽金屬研究所合作，應(yīng)用纖維涂層法制備了國內(nèi)首個SiC(f)/TA12復(fù)合材料整體葉環(huán)試驗件，如圖7所示。

圖7 SiC(f)/TA12整體葉環(huán)試驗件Fig.7 SiC(f)/TA12 bling specimen

3 試驗驗證

3.1 強度考核試驗技術(shù)狀態(tài)

(1)試驗環(huán)境為室溫和500℃。

(2)試驗轉(zhuǎn)速為計算的試驗設(shè)計轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速精度為±50 r/min，試驗穩(wěn)態(tài)保持轉(zhuǎn)速時間為5 min。

(3)測量周向和徑向應(yīng)變，重復(fù)測量次數(shù)不少于三次；周向和徑向應(yīng)變測量點各三個，分別布置在前安裝邊螺栓孔兩側(cè)，在葉環(huán)圓周上等間距分布。

3.2 試驗結(jié)果及分析

室溫和500℃條件下，在設(shè)計轉(zhuǎn)速強度考核試驗后，葉環(huán)主體部分表面均未發(fā)現(xiàn)破壞；有限元計算所得理論周向應(yīng)變與試驗測量值吻合較好，誤差在10%以內(nèi)。

另外，對整體葉環(huán)、盤片分離和整體葉盤結(jié)構(gòu)零件數(shù)及質(zhì)量進(jìn)行對比，其結(jié)果見表1?？梢?，整體葉環(huán)無論從零件數(shù)量還是質(zhì)量上，都具有明顯優(yōu)勢。

表1 不同結(jié)構(gòu)形式零件數(shù)及質(zhì)量對比Table 1 The comparison of weight and part amount for various structure

4 結(jié)束語

本文以國內(nèi)首個SiC(f)/TA12復(fù)合材料壓氣機整體葉環(huán)試驗件為例，探討了整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。利用ANSYS軟件對該試驗件進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，采用最大應(yīng)力強度準(zhǔn)則和平均周向應(yīng)力強度準(zhǔn)則，對其橫向和周向靜強度進(jìn)行了評估，并通過試驗對計算結(jié)果進(jìn)行了初步驗證。通過壓氣機整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得的葉環(huán)結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)輪盤結(jié)構(gòu)減重約55%，比整體葉盤結(jié)構(gòu)減重約30%，初步探索了整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的合理性及正確性，驗證了纖維增強整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)在減重方面的優(yōu)越性。

但文中只對整體葉環(huán)的強度評估方法進(jìn)行了初步探索，還需在本構(gòu)模型、強度校核方法、失效模式等方面開展更為深入的研究。此外，對于整體葉環(huán)，X光檢測和工業(yè)CT檢測尚不能對小尺度缺陷做出有效判斷，因此需進(jìn)一步探索如何通過非破壞性測試手段檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中的小尺度缺陷。

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Design technology for fiber reinforced TMC bling

ZHANG Shao-ping，LI Guan-da，AN Li-ping，PEI Hui-ping
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Development and application of new materials and new structures in aero-engine is one of the major technical ways to reduce engine weight.The weight advantage of bling structure with continuous fiber reinforced titanium matrix composites has been verified.Taking a SiC(f)/TA12 bling specimen as an exam?ple,the structure design,strength analysis and processing of bling are discussed.A numerical simulation is made by ANSYS.The burst speed of bling has been estimated using maximum stress criterion and circum?ferential average stress criterion.Effects of weight reduction and methods of strength analysis have been ver?ified by rotating tests.The research direction in the future has also been discussed.

aero-engine；fiber reinforced titanium matrix composites(TMC)；bling；weight reduction；structure design；matrix coated fiber(MCF)；hot isostatic press(HIP)；strength analysis

V257；V232

A

1672-2620(2016)01-0045-04

2014-08-01；

2015-02-10

張少平(1980-)，男，陜西寶雞人，高級工程師，主要從事壓氣機結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。