隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提升，高推重比成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)，因此，發(fā)展先進(jìn)高結(jié)構(gòu)效率和高性能材料的輕量化整體結(jié)構(gòu)成為目前主要的發(fā)展趨勢(shì)。采用連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)在減重方面優(yōu)點(diǎn)顯著，還可承受環(huán)向載荷，是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的發(fā)展方向。目前，整體葉環(huán)大多是采用連續(xù)單根碳化硅長纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料制造而成，具有高強(qiáng)度、高使用溫度及良好的疲勞、蠕變性能等優(yōu)點(diǎn)。其制造工藝一般先將普通鈦合金鍛造成毛坯，然后加工成葉片，同時(shí)在葉環(huán)內(nèi)側(cè)加工出環(huán)槽，裝入復(fù)合材料，并在插件上覆蓋以普通鈦合金，再進(jìn)行熱等靜壓處理，最后使之復(fù)合成為一體。

本研究主要針對(duì)鍛造熱處理（Forging Heat Treatment，F(xiàn)HT）+熱等靜壓態(tài)（Heat Isostatic Pre-ssing，HIP）和FHT 2種不同制造工藝的整體葉環(huán)葉片開展振動(dòng)疲勞壽命考核試驗(yàn)。其中，F(xiàn)HT+ HIP工藝狀態(tài)的整體葉環(huán)葉片為葉片I，F(xiàn)HT工藝狀態(tài)的整體葉環(huán)葉片為葉片II。試驗(yàn)葉片基體材料為TC17鈦合金，循環(huán)次數(shù)的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為3×107，試驗(yàn)件相關(guān)信息見表1。葉片I在循環(huán)至1.8×107次時(shí)，葉片葉尖附近出現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)終止；葉片II通過試驗(yàn)考核。本研究通過宏觀檢查、斷口宏微觀分析、材質(zhì)分析、力學(xué)性能試驗(yàn)以及有限元應(yīng)力模擬等手段，對(duì)葉片I的裂紋性質(zhì)和萌生原因進(jìn)行分析，以確定葉片的失效原因及失效模式。

1. 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

葉片I裂紋熒光檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。在葉片葉尖端面附近存在裂紋熒光顯示，裂紋已貫穿葉身厚度方向，裂紋距葉片進(jìn)氣邊約33 mm。

圖 1 葉片裂紋熒光宏觀圖像（葉背側(cè)）

Figure 1. Fluorescence macroscopic image of the blade crack (blade back)

1.2 斷口分析

將葉片的裂紋打開，斷口宏觀形貌見圖2。斷口呈灰白色，與人為打開區(qū)域顏色明顯不同；斷口整體起伏較小，可見明顯的放射棱線和疲勞弧線特征，表明裂紋斷口性質(zhì)為疲勞開裂。

圖 2 裂紋斷口宏觀圖像

Figure 2. Macroscopic image of the crack fracture

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)葉片裂紋斷口進(jìn)行微觀觀察，可見放射棱線和疲勞弧線收斂于葉片葉背側(cè)表面，表明疲勞從此處起始，呈單源特征，源區(qū)位置見圖2中紅線區(qū)域。進(jìn)一步放大觀察，疲勞源區(qū)磨損較重，未見明顯冶金缺陷（圖3a黑線區(qū)域）。對(duì)該區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明，該區(qū)域O含量明顯高于基體，其他元素未見明顯異常。擴(kuò)展區(qū)可見清晰的疲勞條帶及二次裂紋，進(jìn)一步確定斷口性質(zhì)為疲勞（圖3b）。源區(qū)側(cè)表面可見葉片機(jī)械加工痕跡（圖4），其與裂紋存在一定夾角，表明對(duì)裂紋萌生的促進(jìn)作用不大。

圖 3 裂紋斷口微觀形貌

Figure 3. Micromorphology image of the crack fracture

圖 4 裂紋斷口疲勞源區(qū)側(cè)表面微觀形貌

Figure 4. Micromorphology image of the fatigue source side surface of the crack fracture

疲勞源區(qū)在葉片葉背側(cè)宏觀位置如圖5所示，源區(qū)位于距葉尖端面約15 mm、距進(jìn)氣邊約20 mm處，并向葉尖和進(jìn)氣邊兩側(cè)擴(kuò)展。

圖 5 葉片葉背側(cè)裂紋源位置

Figure 5. Macroscopic image of the blade back side

1.3 材質(zhì)分析

對(duì)開裂的葉片I的基體進(jìn)行成分分析，其主要合金元素的含量與TC17鈦合金成分基本一致。

分別對(duì)葉片I、II的基體取樣，磨拋金相，用2%HF+3%HNO3+95%H2O（體積分?jǐn)?shù)）的腐蝕劑浸蝕后，采用金相顯微鏡進(jìn)行組織分析。金相組織如圖6所示。葉片II的組織為β區(qū)鍛造和熱處理后形成的網(wǎng)籃組織，晶粒尺寸約2~3級(jí)，原始β晶界在熱變形過程中已破碎不連續(xù)，未見明顯異常。葉片I組織同樣為網(wǎng)籃組織，但晶粒粗大，晶粒尺寸低于0 0級(jí)，尺寸明顯大于葉片II，且存在平直晶界連續(xù)α膜。

圖 6 葉片組織形貌

Figure 6. Micromorphology image of the microstructure

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

分別在葉片I、II基體上取樣進(jìn)行力學(xué)性能試樣。每片葉片取4個(gè)試樣，試樣尺寸示意圖見圖7。室溫拉伸試驗(yàn)采用電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，按照HB 5143—1996進(jìn)行，橫梁位移為1 mm/min，每個(gè)狀態(tài)采用2個(gè)試樣，試驗(yàn)結(jié)果見表2。室溫高周疲勞試驗(yàn)采用高周疲勞試驗(yàn)機(jī)，按照HB 5287—1996進(jìn)行，每個(gè)狀態(tài)采用2個(gè)試樣，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖 7 力學(xué)測(cè)試試樣示意圖

Figure 7. Schematic diagram of mechanical test specimen

葉片I試樣室溫屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均略低于葉片II試樣，延伸率基本一致，但斷面收縮率有明顯差異，葉片I試樣無明顯頸縮。室溫疲勞性能試驗(yàn)表明，葉片I試樣疲勞性能明顯低于葉片II試樣。在標(biāo)準(zhǔn)試棒條件下，F(xiàn)HT態(tài)葉片試樣室溫疲勞性能試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到3×107的考核要求，而FHT+ HIP工藝狀態(tài)的葉片試樣未達(dá)到考核循環(huán)數(shù)，與本試驗(yàn)中的葉片振動(dòng)疲勞壽命考核試驗(yàn)結(jié)果相一致。

1.5 應(yīng)力分析

葉片I的裂紋斷口疲勞起源于葉片葉背側(cè)表面，與葉片葉尖端面和側(cè)邊均有一定距離，為分析疲勞起源和應(yīng)力分布之間的關(guān)系，在ANSYS有限元模擬軟件中，對(duì)葉片開展表面應(yīng)力分析。

在葉片有限元模型中網(wǎng)格劃分單元類型采用C3D10單元，共劃分12 035個(gè)單元和48 216個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用一階彎曲振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行有限元模擬分析，參考點(diǎn)為進(jìn)氣邊葉尖，榫頭部位的邊界條件選擇根部固支，應(yīng)力分布結(jié)果見圖8。由此可見，葉片有3處高應(yīng)力水平點(diǎn)，最大應(yīng)力點(diǎn)在葉背側(cè)，較高應(yīng)力點(diǎn)在葉盆側(cè)的葉尖端面和進(jìn)氣邊附近，對(duì)應(yīng)的高應(yīng)力位置見表4。葉片I的疲勞起源于葉片葉背側(cè)表面，源區(qū)在葉片葉背側(cè)距葉尖端面約15 mm，距進(jìn)氣邊約20 mm，與葉片最大應(yīng)力C區(qū)位置基本相符。

圖 8 葉片一階彎曲振動(dòng)應(yīng)力分布模擬圖

Figure 8. Simulation of the blade stress distribution

2. 分析與討論

斷口宏微觀分析結(jié)果表明，葉片I的裂紋斷口平坦，呈單源特征、疲勞條帶及二次裂紋細(xì)密，基本符合高周疲勞特征。該葉片工作循環(huán)次數(shù)為1.87×107，已超過目標(biāo)循環(huán)次數(shù)的1/2，疲勞裂紋萌生后，源區(qū)不斷開合發(fā)生氧化磨損，裂紋一直保持疲勞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展。

力學(xué)試樣性能結(jié)果表明，僅經(jīng)過FHT工藝的葉片在試棒級(jí)疲勞試驗(yàn)循環(huán)數(shù)可以滿足3×107考核要求，經(jīng)過FHT+HIP工藝的葉片力學(xué)試樣疲勞試驗(yàn)未達(dá)到考核循環(huán)次數(shù)，僅在3×106循環(huán)次數(shù)后就發(fā)生了斷裂，下降幅度達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)。FHT工藝狀態(tài)的葉片在經(jīng)過HIP工藝處理后，其強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，但塑性和疲勞性能明顯下降。

葉片II的制造工藝為FHT，該工藝處理后可以獲得網(wǎng)籃組織，網(wǎng)籃狀編織的針狀α相分布在原始β晶粒內(nèi)部，針狀的α相之間是時(shí)效熱處理后的β相，即在時(shí)效過程中析出的二次α相彌散分布在β基體上，顯著提高基體的強(qiáng)度，特別是斷裂性能和蠕變性能，因此，葉片具有良好的疲勞性能。葉片I的制造工藝為FHT+HIP，鍛造后進(jìn)行工藝為在920 ℃、保溫3 h的HIP處理，相當(dāng)于對(duì)葉片進(jìn)行一次高溫固溶處理，晶粒明顯長大，亞穩(wěn)的β組織會(huì)析出次生α相，并且連續(xù)分布在β晶界處，從而導(dǎo)致裂紋易于沿晶界擴(kuò)展，對(duì)葉片的強(qiáng)度和塑性及抗疲勞性能均會(huì)產(chǎn)生不利影響。

有限元分析表明，葉片最大應(yīng)力點(diǎn)位于葉背側(cè)，較高應(yīng)力點(diǎn)位于葉盆側(cè)葉尖端面和進(jìn)氣邊附近，通過高應(yīng)力點(diǎn)與葉片I裂紋疲勞源區(qū)位置的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，源區(qū)位于葉片最大應(yīng)力區(qū)。疲勞往往起源于材料最薄弱的部位，如果葉片其他因素均符合條件，疲勞最可能出現(xiàn)的位置為最大應(yīng)力點(diǎn)C處，而葉片I在經(jīng)過HIP處理后，晶粒明顯長大，出現(xiàn)連續(xù)α晶界，葉片整體抗疲勞性能明顯下降，因此在最大應(yīng)力點(diǎn)處出現(xiàn)過早疲勞開裂。

以往研究表明，鈦合金在時(shí)效處理后還可以進(jìn)行二次鍛造，針狀α相在二次鍛造過程中和后續(xù)熱處理過程中會(huì)依次發(fā)生動(dòng)態(tài)球化和靜態(tài)球化，最終得到一種過渡態(tài)球化組織，這種球化組織一般比常規(guī)等軸組織更細(xì)小。雖然這種球化組織的斷裂韌性與抗裂紋擴(kuò)展能力略低于網(wǎng)籃組織，但對(duì)于本研究中整體葉環(huán)鍛件來說，熱等靜壓后二次鍛造產(chǎn)生的這種細(xì)小球化組織可能更為合適。因此，可以調(diào)整整體葉環(huán)葉片加工工藝順序，在熱等靜壓后進(jìn)行二次鍛造，再將毛坯加工成葉片，從而獲得細(xì)小的過渡態(tài)等軸組織，避免產(chǎn)生連續(xù)α相晶界對(duì)性能的不利影響。

3. 結(jié)論與建議

1）經(jīng)FHT+ HIP處理后的整體葉環(huán)葉片的裂紋性質(zhì)為高周疲勞，疲勞裂紋起源于葉片葉背側(cè)表面最大應(yīng)力區(qū)。

2）整體葉環(huán)葉片在HIP處理后存在平直晶界連續(xù)α膜，抗疲勞性能明顯降低，導(dǎo)致疲勞裂紋過早萌生。

3）建議在熱等靜壓工藝后進(jìn)行二次鍛造處理，獲得細(xì)小的過渡態(tài)球化組織，避免產(chǎn)生連續(xù)α相晶界對(duì)性能的不利影響。