孫泊涵， 何玉懷， 羅作煒， 陳 勃,*， 王 強，趙春玲， 葉序彬， 陳 新

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院, 北京 100095；2.中國航發(fā)湖南動力機械研究所, 湖南 株洲 412002）

0 引言

發(fā)動機服役過程中易吸入砂石、金屬等外來物而造成外物損傷（Foreign object damage，F(xiàn)OD）。FOD會降低發(fā)動機葉片的高周疲勞性能，導致葉片高周疲勞失效，造成經濟損失，故國內許多外學者針對FOD影響發(fā)動機葉片疲勞性能展開研究。

馬超等[1]整理了我國近20年來共計381例硬物損傷數(shù)據，將主要的FOD損傷類型概括為5種，即凹坑、撕裂、缺口、刻痕和彎曲變形，并指出部分損傷類型難以界定。葛寧[2]利用空氣炮法制備FOD試樣，使用掃描電子顯微鏡對FOD試樣沖擊缺口進行觀察，觀察到FOD微觀損傷的主要類型為微小裂紋、塑性變形、微小缺口、片層結構等。Ted Nicholas等[3]通過彈道沖擊法及準靜態(tài)壓痕法研究了FOD對于Ti-6Al-4V拉伸及扭轉疲勞極限的影響，得到的結論是應力消除后的試樣一般比未消除的試樣具有更高的疲勞強度，表明壓痕或沖擊過程中在最終破壞位置附近產生了殘余拉應力場。Majila等[4]通過空氣炮法制備FOD試樣。結果表明，F(xiàn)OD試樣的疲勞壽命低于相近尺寸缺口試樣。舒暢等[5-6]研究了不同材料彈丸對BT3-1鈦合金葉片的沖擊侵徹作用，結論表明，彈丸硬度和強度相對葉片材料越大，形成的FOD缺口尺寸越大。Wu等[7]針對25CrMo4或EA4T鋼試樣受到FOD后的微觀損傷進行研究，采用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和納米壓痕等方法觀察到彈坑的微觀結構損傷。胡旭騰[8]、趙振華[9]等針對鈦合金和不銹鋼試樣展開研究，結果表明，外物尺寸越大、沖擊速度越快，F(xiàn)OD試樣疲勞壽命下降越顯著。

由此可見，F(xiàn)OD會在葉片表面產生凹坑、撕裂、缺口、刻痕和彎曲變形等幾何缺陷，這些幾何缺陷會產生應力集中并萌生疲勞裂紋，大大降低輪盤的疲勞壽命。此外，F(xiàn)OD通過沖擊產生微裂紋，并在沖擊坑附近形成殘余拉應力，進一步降低材料的疲勞壽命。外物尺寸和速度越大、外物硬度和強度越大，沖擊后材料疲勞性能下降越顯著。

然而，已有研究集中在外物沖擊速度≤300 m/s的FOD對疲勞性能的影響，而在發(fā)動機服役過程中，一級盤轉子葉片與外物相對速度最高可達438.36 m/s[10]，故研究外物沖擊速度為 350 m/s的FOD對疲勞性能的影響是必要的。

TC4鈦合金是發(fā)動機葉片的常用材料。由于發(fā)動機需具備良好的高周疲勞性能和環(huán)境適應性，研究TC4在不含F(xiàn)OD以及不同程度FOD情況下的疲勞裂紋萌生行為及疲勞壽命，對于發(fā)動機的設計和選材有著重要的指導作用。本文研究TC4在不含F(xiàn)OD以及3種不同程度FOD下的疲勞行為。采用空氣炮法在試樣邊緣制備不同沖擊損傷程度的FOD試樣，使用三維體式顯微鏡對損傷尺寸進行測量和統(tǒng)計分析，對無沖擊和不同沖擊損傷程度FOD試樣開展疲勞S-N曲線測試，通過疲勞斷口研究含F(xiàn)OD試樣的疲勞裂紋萌生機制，對不同材料和不同沖擊損傷的疲勞性能曲線進行對比分析。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為TC4鈦合金。TC4是一種中等強度的α-β型兩相鈦合金，含有6%α穩(wěn)定元素Al和4%β穩(wěn)定元素V。該合金具有優(yōu)異的綜合性能，在航空和航天工業(yè)中獲得了最廣泛的應用。TC4鈦合金板材長度方向（L向）室溫拉伸性能見表1[11]。

表1 TC4 鈦合金 L 向室溫拉伸性能Table 1 Tensile properties of L direction of TC4 titanium alloy at room temperature

1.2 試樣及其制備

研究采用無沖擊損傷試樣和3種不同程度FOD試樣，開展疲勞裂紋萌生行為研究和疲勞S-N曲線測試。無沖擊損傷試樣的幾何形狀如圖1所示，表面粗糙度要求為0.4，側面縱拋。

圖1 無沖擊損傷試樣Fig.1 Specimen without impact damage

通過在無沖擊損傷試樣邊緣預制沖擊缺口制備FOD試樣。常用的沖擊缺口制備方法包括機械加工法、低速沖擊法、準靜態(tài)擠壓法和高速彈道沖擊法。由于能夠模擬出FOD典型微觀特征?絕熱剪切帶，高速彈道沖擊法模擬的FOD更接近真實情況，是FOD最有效的模擬方法。高速彈道沖擊法分為槍彈法和空氣炮法，由于空氣炮法彈丸速度和沖擊角度穩(wěn)定，產生的FOD與真實的FOD相似度高[12-13]，故本研究采用NH-10空氣炮系統(tǒng)對試樣進行3種不同程度的FOD試樣制備。

采用NH-10空氣炮對試樣進行3種不同直徑和速率的彈丸沖擊，制備FOD試樣（圖2）。彈丸的入射方向與試樣表面垂直，彈丸中心的沖擊位置位于試樣側邊的中央。無損傷試樣編號為A，3種FOD試樣分別編號為B、C、D（表2）。

圖2 FOD 試樣Fig.2 FOD sample

表2 沖擊損傷試樣與沖擊參數(shù)Table 2 Impact damage specimens and impact parameters

1.3 試驗研究方案

利用三維體式顯微鏡測量FOD損傷尺寸并進行統(tǒng)計分析。根據ASTM E466試驗標準，采用成組法和升降法對FOD試樣開展R=0.05下的疲勞S-N曲線測試并獲得疲勞極限。A、B、C、D試樣數(shù)均為25根。通過對比不同沖擊情況下?lián)p傷尺寸、裂紋萌生機制、疲勞性能差異來研究FOD對TC4鈦合金疲勞行為的影響。

2 結果與分析

2.1 損傷尺寸的測量與統(tǒng)計分析

試樣長度方向（L向）和寬度方向（T向）的損傷尺寸統(tǒng)計結果見表3。L向沖擊損傷尺寸略小于彈丸直徑，T向沖擊尺寸小于彈丸半徑，這是彈丸在沖擊過程中軌跡向上偏移導致的。更快的沖擊速度和更大的彈丸直徑會形成更大的FOD損傷，沖擊速度的影響更為顯著，這可以從試樣D的損傷尺寸顯著大于試樣B，而略大于試樣C得到證明。對于試樣C，雖然其彈丸直徑和沖擊能量不及試樣B，但由于沖擊速度更快，形成的損傷尺寸要大于試樣B。

表3 FOD 試樣 L、T 方向的損傷尺寸統(tǒng)計Table 3 Damage dimension statistics of L,T directions of FOD samples mm

2.2 FOD對疲勞裂紋萌生機制的影響

TC4鈦合金試樣在無沖擊損傷的情況下主要從試樣邊緣起裂，當試樣包含F(xiàn)OD后，由于在FOD處產生應力集中，試樣全部從沖擊坑根部起裂（圖3）。FOD試樣裂紋斷口的微觀特征見圖4?？梢钥闯觯毫鸭y起源于沖擊坑處，呈單源特征；疲勞裂紋擴展早期，疲勞條帶細密；隨著裂紋擴展，疲勞條帶間距變寬，可見二次裂紋特征。FOD改變裂紋萌生機制，加速裂紋萌生從而降低材料的疲勞壽命。

圖3 FOD 試樣 D 裂紋萌生位置（σ = 210 MPa, Nf = 4.60×104）Fig.3 Crack initiation location of FOD specimen D (σ = 210 MPa,Nf = 4.60×104)

圖4 FOD 試樣 D 疲勞斷口微觀特征（σ = 210 MPa, Nf= 4.60×104）Fig.4 Microscopic characteristics of fatigue fracture of FOD specimen D (σ = 210 MPa, Nf= 4.60×104)

2.3 FOD對材料疲勞性能影響

1）合金S-N曲線。

試驗獲得的測試原始數(shù)據點及其對應的S-N曲線如圖5所示，S-N曲線圖中有效數(shù)據點為82個。曲線采用3參數(shù)冪函數(shù)模型進行擬合[14]。

采用最小二乘法進行回歸計算，得到各試樣的S-N曲線方程及疲勞極限（表4）。

從圖5、表4可以看出：（1）FOD降低TC4鈦合金的疲勞極限。TC4鈦合金在T方向損傷尺寸越大，疲勞極限越低，這是應力集中系數(shù)越大造成的。（2）隨著沖擊損傷程度的變化和損傷尺寸增加，TC4鈦合金疲勞性能呈明顯下降趨勢。對于TC4鈦合金，試樣C、D在中短壽命區(qū)的疲勞性能接近，長壽命區(qū)的疲勞性能差異增大。這是由于在中短壽命區(qū)載荷較大，載荷造成的影響占主要地位，長壽命區(qū)載荷較小，缺口造成的影響占主要地位。

表4 試樣疲勞 S-N 曲線方程及疲勞極限Table 4 S-N equations and fatigue limits of specimens

圖5 FOD 對 TC4 鈦合金疲勞 S-N 曲線的影響Fig.5 Effect of FOD on fatigue S-N curves of TC4 titanium alloy

2）疲勞缺口系數(shù)分析。

疲勞缺口系數(shù)Kf為無損傷試樣疲勞極限與FOD試樣疲勞極限的比值。TC4鈦合金在不同沖擊損傷程度下的疲勞缺口系數(shù)對比見表5。從表5可以看出：隨著沖擊損傷程度的變化和損傷尺寸增加，TC4鈦合金疲勞極限下降，疲勞缺口系數(shù)增大。T方向的損傷尺寸是影響應力集中系數(shù)并造成疲勞壽命下降的最主要因素。

表5 TC4 鈦合金疲勞缺口系數(shù)Table 5 Fatigue notch coefficients of TC4 titanium alloy

3 結論

1）在相同的沖擊損傷程度下，更大的沖擊速率和更大的彈丸直徑會形成更大的FOD損傷，其中又以沖擊速度的影響更為顯著。

2）試樣受到FOD后，疲勞裂紋由試樣邊緣處萌生變?yōu)镕OD缺口根部處萌生，F(xiàn)OD通過改變裂紋萌生行為對疲勞壽命產生影響。

3）FOD顯著降低TC4鈦合金的疲勞極限，下降程度與試樣寬度方向的損傷尺寸關系最為密切。