王尚

摘 ? 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣材料的研究中，耐沖蝕性能是非常重要的，這直接關(guān)乎發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣性能、工作的性能以及其服役壽命。隨著碳纖維復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)其耐沖蝕性能的研究十分不可或缺。本文通過(guò)對(duì)正交編織碳纖維復(fù)合材料平板進(jìn)行高速?zèng)_蝕試驗(yàn)，改變不同試驗(yàn)參數(shù)（沖蝕速度、沖蝕角度等）并且與鈦合金、鋁合金材料的沖蝕情況進(jìn)行對(duì)比，來(lái)對(duì)其耐沖蝕性能做出較為詳細(xì)的評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：沖蝕試驗(yàn) ?耐沖蝕性能 ?正交編織碳纖維復(fù)合材料 ?高速 ?對(duì)比

中圖分類(lèi)號(hào)：TG52 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）06（a）-0106-05

Abstract： In the researches of the materials of aero-engine casings， the erosion characteristics are very important. The erosion characteristics have huge influences on intake performance， work performance and service life of the engines. With the wider applications of carbon fiber reinforced polymer in the aero-engines， the researches for the erosion characteristics of carbon fiber reinforced polymer have great significances. This research had high-speed erosion tests on orthogonal woven carbon fiber reinforced polymer plates， changed different experiment parameters （impact velocity， impact angle， etc.） and made comparisons with titanium alloy as well as aluminum alloy to acquire the erosion characteristics of orthogonal woven carbon fiber reinforced polymer in detail.

Key Words： Erosion test; Erosion characteristics; Orthogonal-woven carbon fiber reinforced polymer; High speed; Comparison

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率、推重比、噪聲、安全以及穩(wěn)定性能提出了更嚴(yán)格的要求。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，復(fù)合材料的應(yīng)用空間也越來(lái)越曠闊。由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比較高的韌性以及強(qiáng)度，并且隨著其價(jià)格的不斷降低[1]，通用公司和GKN Aerospace公司從20世紀(jì)90年代開(kāi)始共同研發(fā)碳纖維編織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的風(fēng)扇機(jī)匣。GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)第一次采用了這種碳纖維復(fù)合材料硬壁風(fēng)扇機(jī)匣。此外，CFMI公司研制的LEAP-X 發(fā)動(dòng)機(jī)也采用了這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇機(jī)匣[1]。這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇機(jī)匣不僅在結(jié)構(gòu)與工藝方面易于制作，而且尺寸精度也很高[2]。

飛機(jī)在不同的工況下飛行時(shí)，有時(shí)工作環(huán)境會(huì)十分惡劣。在如沙漠地區(qū)等含有大量砂礫的環(huán)境下工作時(shí)，這些砂礫可能會(huì)不停地沖擊機(jī)身表面，還有可能通過(guò)進(jìn)氣道進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)中。在這種惡劣的情況下長(zhǎng)期工作，很容易發(fā)生零部件的沖蝕磨損甚至是損壞，影響飛機(jī)的氣流軌跡，惡化發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣性能，甚至?xí)斐砂l(fā)動(dòng)機(jī)的損傷，降低其工作性能，致使發(fā)動(dòng)的使用壽命大大減少[3]。因此，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣材料的研究，其耐沖蝕性能也極其重要，這直接關(guān)乎發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣性能、工作的性能以及其服役壽命。所以，隨著碳纖維復(fù)合材料在直升機(jī)粒子分離器以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)其耐沖蝕性能的研究十分不可或缺。Stachowiak等在其專(zhuān)著中總結(jié)出了針對(duì)固體粒子以不同沖蝕速度與不同沖蝕角度撞擊不同材料時(shí)材料所產(chǎn)生的主要失效形式其中包括磨損、疲勞、斷裂以及塑性變形等。

在復(fù)合材料的沖蝕性能研究方面，國(guó)內(nèi)總體還處于不完全成熟的狀態(tài);在國(guó)外研究人員有一定的研究成果。G.Drensky等人通過(guò)對(duì)聚合物基復(fù)合材料的沖蝕試驗(yàn)，得到其沖蝕特性，試驗(yàn)結(jié)果表明：在控制變量的情況下，沖蝕率隨沖蝕角度的變大先變大后變小，約在45°左右沖蝕率達(dá)到峰值;沖蝕率隨沖蝕固體粒子的直徑變大而變大;沖蝕率也隨著沖蝕粒子的沖擊速度變大而變大;沖蝕率隨著沖蝕粒子總質(zhì)量的變大而變大;沖蝕率隨著環(huán)境溫度的上升而變小;復(fù)合材料編織方向?yàn)?0°迎接沖蝕粒子的時(shí)候，沖蝕率會(huì)更大，但是比較0°的時(shí)候，變化不是很明顯，只有少量的增加。國(guó)內(nèi)劉奇等人通過(guò)試驗(yàn)以及通過(guò)SPH模擬仿真分析，發(fā)現(xiàn)在其他條件均完全一致的情況下，被沖蝕的復(fù)合材料層合板的質(zhì)量損失隨著沖蝕壓力的增大而增大;隨著沖蝕粒子總質(zhì)量的增大而增大;隨著沖蝕角度的增大而增大;使用不同種類(lèi)的沖蝕粒子沖蝕時(shí)造成的質(zhì)量損失不同[4]。但是對(duì)于復(fù)合材料微觀下沖蝕失效的具體情況和宏觀的沖蝕形態(tài)，以及較高速情況下沖蝕的試驗(yàn)研究都還沒(méi)有公布于眾的十分成熟的研究成果。

2 ?沖蝕試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 沖蝕率

用沖蝕前試樣的質(zhì)量減去沖蝕試驗(yàn)后試件的質(zhì)量，就可以得到?jīng)_蝕試樣的沖蝕損失質(zhì)量。然后，我們可以定義沖蝕率E，其定義每克沖蝕顆粒沖蝕試樣后，試樣的沖蝕損失質(zhì)量，其單位為g/g，其計(jì)算公式如下[9]：

分別做出試驗(yàn)后三種材料的不同試樣的平均沖蝕率條形圖，如圖4所示。

圖中編號(hào)1-9、10-21、22-33表示前端沖蝕絕對(duì)壓力分別為0.19MPa、0.23MPa以及0.3MPa;編號(hào)1-3、10-13、22-25表示為碳纖維，編號(hào)4-6、14-17、26-29表示為鈦合金，編號(hào)7-9、18-21、30-33表示為鋁合金;編號(hào)10、14、18、22、26、30表示沖蝕角度為20°，編號(hào)1、4、7、11、15、19、23、27、31表示沖蝕角度為30°，編號(hào)2、5、8、12、16、20、24、28、32表示沖蝕角度為60°，編號(hào)3、6、9、13、17、21、25、29、33表示沖蝕角度為90°。結(jié)果為同一條件下多次試驗(yàn)后選擇較好的試驗(yàn)結(jié)果的平均值[10]。

從圖中可以觀察出，當(dāng)前端的沖蝕壓力，即沖蝕速度保持一定時(shí)，鋁合金與鈦合金的沖蝕率隨著沖蝕角度的減小而增大。這可能是因?yàn)檩^低沖蝕角度時(shí)，粒子對(duì)鈦合金、鋁合金的表面具有較大的沖蝕面積，粒子與材料表面接觸面積更大。但是對(duì)于碳纖維復(fù)合材料，其沖蝕率隨著沖蝕角度的增大先變大然后變小，峰值處于30°與90°之間。此外，在相同沖蝕條件下，一般沖蝕角度從90°到60°時(shí)沖蝕率變化的絕對(duì)值是小于沖蝕角度從60°到30°時(shí)的。

從圖中還可以得到，這三種材料的沖蝕率都隨著沖蝕前端絕對(duì)壓力的變大而變大。這是因?yàn)楫?dāng)沖蝕前端壓力變大時(shí)，沖蝕粒子速度變大，沖蝕粒子所攜帶的沖擊能量也變大，從而使得材料的質(zhì)量損失變大，最終使得沖蝕率變大。

同樣地，可以從圖中比較出：三種材料在相同的沖蝕環(huán)境與條件下，碳纖維復(fù)合材料沖蝕率最大，TC4鈦合金其次，2A12鋁合金沖蝕率最小。說(shuō)明在耐沖蝕性能方面2A12鋁合金強(qiáng)于TC4鈦合金強(qiáng)于碳纖維復(fù)合材料。在我們選定的沖蝕條件下，碳纖維復(fù)合材料的沖蝕率數(shù)量級(jí)普遍在10-4，然而鋁合金與鈦合金材料的沖蝕率數(shù)量級(jí)普遍在10-5，即纖維復(fù)合材料的沖蝕率在一般情況下比鈦合金與鋁合金材料高一個(gè)數(shù)量級(jí)。比較鈦合金與鋁合金，TC4鈦合金硬度高于2A12鋁合金，其沖蝕率在相同情況下也是TC4鈦合金高于2A12的鋁合金，這可以作為一個(gè)例證。

2.2 宏觀沖蝕形態(tài)

由圖2可以看出，被沖蝕試件的最終沖蝕痕跡隨著沖蝕角度的變小，形狀也逐漸由近似圓形向近似為橢圓形的圖案變化，并且從沖蝕痕跡處可以大致區(qū)分出區(qū)域分別為邊緣非核心沖蝕區(qū)域與中心的核心沖蝕區(qū)域。其核心沖蝕區(qū)域可能是因?yàn)榱Ｗ用芗臎_擊所導(dǎo)致的表面完全脫落。對(duì)于碳纖維復(fù)合材料，可以看出區(qū)域中每層的編織結(jié)構(gòu)已經(jīng)被明顯破壞，有的甚至可以看到其層合板一層一層的分層，表示其鋪層設(shè)計(jì)也被破壞。

對(duì)于其沖蝕痕跡的總面積，可以得出：對(duì)同一材料，在沖蝕絕對(duì)壓力相同的情況下，沖蝕角度為20°、30°時(shí)的沖蝕痕跡總面積總是大于沖蝕角度為60°、90°時(shí)的，并且在本次試驗(yàn)中，沖蝕角度為30°時(shí)所顯示的總沖蝕痕跡面積為最大，大致可以認(rèn)為沖蝕痕跡總面積隨沖蝕角度的變大先變大后變小。對(duì)同一材料，同沖蝕角度下，沖蝕絕對(duì)壓力的變化對(duì)沖蝕痕跡總面積的影響較小，但是沖蝕率有著明顯的變化，這可能是主要由于其沖蝕深度的變化所體現(xiàn)的。對(duì)不同材料，在同沖蝕絕對(duì)壓力與沖蝕角度的情況下，其沖蝕痕跡的總面積也沒(méi)有明顯變化。這可能是由于沖蝕痕跡的總面積最主要的影響因素是試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)，既然試驗(yàn)臺(tái)是完全相同的，所以上述沖蝕痕跡的總面積也是幾乎不變的。

對(duì)于其沖蝕總區(qū)域的最大長(zhǎng)度與寬度，可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)同一材料，在沖蝕絕對(duì)壓力相同的情況下，隨著沖蝕角度的變小，其沖蝕最大寬度也漸漸變小，其中在30°到20°變小的改變量較大;對(duì)于其最大沖蝕長(zhǎng)度，則是隨著沖蝕角度的變小而漸漸變大。對(duì)同一材料，在沖蝕角度一樣的情況下，沖蝕絕對(duì)壓力的變化對(duì)其沖蝕總區(qū)域的最大長(zhǎng)度與寬度都幾乎沒(méi)有影響。不同材料在同一沖蝕絕對(duì)壓力和沖蝕角度的情況下，其沖蝕總區(qū)域的最大長(zhǎng)度與寬度都幾乎沒(méi)有區(qū)別，可能是因?yàn)檫@也是由試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)所決定的。

對(duì)于其沖蝕區(qū)域的最大深度，可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)三種材料的試樣，各自在沖蝕絕對(duì)壓力相同的情況下，沖蝕角度為20°、30°的沖蝕最大深度總是小于沖蝕角度為60°、90°時(shí)的，這是由于雖然低沖蝕角度沖蝕率較大，但是低沖蝕角度時(shí)沖蝕面積更大，并且沖蝕角度為20°時(shí)的沖蝕最大深度大于沖蝕角度30°時(shí)的沖蝕最大深度。對(duì)同一材料，同沖蝕角度的情況下，隨著沖蝕絕對(duì)壓力的變大，其最大沖蝕深度也會(huì)變大。對(duì)同沖蝕絕對(duì)壓力和同沖蝕角度的情況下，碳纖維復(fù)合材料的沖蝕最大深度大于TC4鈦合金的沖蝕最大深度大于2A12鋁合金的最大沖蝕深度，這也是主要由于碳纖維復(fù)合材料在相同情況下沖蝕率更大的原因。

如圖6所示是對(duì)碳纖維復(fù)合材料在低沖蝕絕對(duì)壓力的情況下（0.19MPa），用10倍顯微鏡拍攝的其單層中編織結(jié)構(gòu)的失效情況（沖蝕角度分別為90°、60°以及30°）。

從圖可以看出，在低沖蝕絕對(duì)壓力的情況下，沖蝕角度為90°和60°的核心沖蝕區(qū)域的中心，其單層的編織結(jié)構(gòu)完全被破壞，其大部分編織的結(jié)點(diǎn)都已完全消失，偶爾還有一些編織的結(jié)點(diǎn)突出。在沖蝕角度為90°和60°的非核心沖蝕區(qū)域，也能看出其編織結(jié)構(gòu)被破壞，不過(guò)此時(shí)要優(yōu)于核心沖蝕區(qū)域，偶爾可以看到殘缺的連接結(jié)點(diǎn)的梁結(jié)構(gòu)的存在。對(duì)于沖蝕角度為30°時(shí)，由于此時(shí)沖蝕率較小，所以此時(shí)單層的編織結(jié)構(gòu)保留情況要優(yōu)于沖蝕角度在60°以及90°時(shí)，但是同樣可以看到核心沖蝕區(qū)域的單層編織結(jié)構(gòu)被破壞以及所導(dǎo)致的突出的塊狀部分。

2.3 碳纖維微觀沖蝕形態(tài)

如圖7是對(duì)沖蝕試驗(yàn)后的碳纖維復(fù)合材料中典型試樣的核心沖蝕區(qū)域進(jìn)行電鏡掃描后所得到的結(jié)果。

從電鏡掃描結(jié)果可以看出，每種情況下，都會(huì)有殘破的白剛玉粒子嵌在沖蝕后的試件上，如圖中部分白色的顆粒。而且可以觀察到，隨著沖蝕角度的增大，會(huì)有更多的破碎的白剛玉粒子嵌在試樣上。由于本次試驗(yàn)選擇的碳纖維復(fù)合材料板是正交編織的，我們用試樣夾具夾緊時(shí)都嚴(yán)格按照順著碳纖維編織的一個(gè)方向或者是以另一個(gè)正交編織的方向成90°的情況來(lái)沖蝕。所以可以從上圖中看出對(duì)結(jié)果一定的影響。從高沖蝕絕對(duì)壓力的結(jié)果看，由于沖蝕粒子速度較快，碳纖維復(fù)合材料板已被沖穿。當(dāng)沖蝕角度較大時(shí)，觀察到碳纖維復(fù)合材料的試樣已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的分層。對(duì)沖蝕角度為90°時(shí)，在最靠近沖穿區(qū)域的第一層內(nèi)，碳纖維幾乎全部斷裂，其結(jié)構(gòu)也全部被破壞，看不出碳纖維編織時(shí)的方向性;在距離沖穿區(qū)域稍遠(yuǎn)的第二層，可以大致看出碳纖維的方向性，但是其邊緣部分幾乎都為白色區(qū)域，也嵌入大量破碎的白剛玉粒子，碳纖維幾乎全部斷裂;在距離核心沖蝕區(qū)域最遠(yuǎn)的第三層，其方向性保存較好，雖然也有斷裂的碳纖維以及嵌入的破碎的白剛玉粒子，但是可以看出與第二層正交的方向性。對(duì)沖蝕角度為60°時(shí)，可以看出電鏡掃描結(jié)果中白色的區(qū)域明顯減少，其核心沖蝕區(qū)域中心的第一層碳纖維斷裂嚴(yán)重，相比較90°時(shí)第一層結(jié)構(gòu)破壞相差無(wú)幾，看不出其方向性;但是對(duì)第二層，其碳纖維的斷裂情況明顯比90°時(shí)嚴(yán)重，大部分碳纖維斷裂，而且?guī)缀蹩床怀銎渚幙椀姆较蛐?。總而言之，在較高沖蝕絕對(duì)壓力的情況下，60°沖蝕角度碳纖維斷裂情況比沖蝕角度為90°時(shí)更加嚴(yán)重。

在沖蝕壓力為中等壓力時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)大沖蝕角度下破碎的白剛玉粒子嵌入試樣更多。在沖蝕角度較小時(shí)，可以觀察到斷裂的部分不是很多，而且斷裂的形式也是比較一致的，白色區(qū)域的面積占比也不是很大;隨著沖蝕角度從20°到30°的變大，斷裂的碳纖維部分逐漸變多，斷裂情況也更加嚴(yán)重。由于試樣夾具夾緊時(shí)都嚴(yán)格按照順著碳纖維編織方向，所以在這兩個(gè)沖蝕角度下，可以看出電鏡掃描結(jié)果中碳纖維方向的同一性，而且對(duì)其方向性的保留也是較完好的。在沖蝕角度偏大的情況下，可以看出其中斷裂的區(qū)域明顯變多，斷裂情況也明顯嚴(yán)重，也有更多的破損的白剛玉粒子嵌到試樣的表面，但是從大體上來(lái)看，還是能看出其方向性，從60°與90°沖蝕角度的電鏡掃描結(jié)果，可以看出其正交的編織方向，說(shuō)明其對(duì)方向性也有一定的保留。而且可以看出，對(duì)于正交碳纖維編織的兩個(gè)方向，其中順著沖蝕方向編織的碳纖維斷裂情況較好一些，白色區(qū)域面積占比也小，但是對(duì)與沖蝕方向成90°編織的碳纖維，其斷裂情況就較為嚴(yán)重，白色區(qū)域面積占比也明顯地增多。

3 ?結(jié)語(yǔ)

（1）建立了沖蝕試驗(yàn)臺(tái)，完成對(duì)正交編織碳纖維復(fù)合材料平板較高速?zèng)_蝕試驗(yàn)以及對(duì)比。

（2）當(dāng)沖蝕壓力即沖蝕速度保持一定時(shí)，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料沖蝕率隨沖蝕角度的增大先變大然后變小，峰值處于30°與90°之間。當(dāng)沖蝕角度一定時(shí)沖蝕率隨沖蝕前端絕對(duì)壓力的變大而變大。試驗(yàn)中相同情況下碳纖維復(fù)合材料的沖蝕率一般比鈦合金與鋁合金材料高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

（3）對(duì)于正交碳纖維編織的兩個(gè)方向，其中順著沖蝕方向的碳纖維斷裂情況較好，但是對(duì)于與沖蝕方向成90°的碳纖維，其斷裂情況較為嚴(yán)重。

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