張少平，李冠達(dá)，安利平，裴會(huì)平

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料整體葉環(huán)設(shè)計(jì)技術(shù)

張少平，李冠達(dá)，安利平，裴會(huì)平

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

新材料和新結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)使用是航空發(fā)動(dòng)機(jī)減重的一個(gè)主要技術(shù)途徑，纖維增強(qiáng)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(shì)。以SiC(f)/TA12整體葉環(huán)試驗(yàn)件為例，分別從結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、工藝等方面闡述了整體葉環(huán)設(shè)計(jì)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(píng)估了整體葉環(huán)試驗(yàn)件的破裂轉(zhuǎn)速。通過(guò)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)初步驗(yàn)證了整體葉環(huán)的減重效果和強(qiáng)度計(jì)算方法，并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行了展望。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料；整體葉環(huán)；減重；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；纖維涂層法；熱等靜壓；強(qiáng)度分析

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)增推減重是航空動(dòng)力不懈追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤由于受材料強(qiáng)度限制，減重空間有限，要突破目前水平，實(shí)現(xiàn)未來(lái)輕質(zhì)量、高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)，新材料、新結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)使用是一個(gè)主要的技術(shù)途徑。新材料方面，連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(MMC)由于具有比強(qiáng)度高、耐高溫、抗疲勞和蠕變性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]，受到各國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視。新結(jié)構(gòu)方面，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，如壓氣機(jī)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(jī)盤相比，整體葉盤結(jié)構(gòu)可減重30%，而SiC長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(TMC)葉環(huán)鼓筒式無(wú)盤結(jié)構(gòu)可減重70%。另外，相對(duì)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(jì)新型支承結(jié)構(gòu)，有利于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)[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(jiǎn)單的整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)也開(kāi)始進(jìn)入人們視野。

早在20世紀(jì)80年代，美國(guó)在IHPTET計(jì)劃中研制的TMC整體葉環(huán)(直徑400 mm)，就已在驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了成功測(cè)試[5]。90年代，德國(guó)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(yàn)[6]。英國(guó)也在TMC的制造、特性和設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究[7]。目前，國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)國(guó)都在研究纖維增強(qiáng)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(dòng)機(jī)上，未來(lái)還將用在推重比25～30的發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)對(duì)金屬基復(fù)合材料整體葉環(huán)設(shè)計(jì)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(qiáng)度理論摸索階段，與國(guó)際先進(jìn)水平差距較大。中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院自20世紀(jì)90年代開(kāi)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(guò)與科研院所和高校的緊密合作，推動(dòng)了金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度理論的應(yīng)用和相應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件的研制。

目前，整體葉環(huán)公開(kāi)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(qiáng)度考核件為例，闡述了單向纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、制備流程和試驗(yàn)驗(yàn)證，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，初步驗(yàn)證了整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的減重效果和強(qiáng)度計(jì)算方法。

2 整體葉環(huán)試驗(yàn)件

2.1 結(jié)構(gòu)布局研究

單向纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料加強(qiáng)的整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)，主要有單環(huán)復(fù)合材料加強(qiáng)和多環(huán)復(fù)合材料加強(qiáng)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(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室和艾利遜先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，研究出了金屬基復(fù)合材料外置環(huán)，通過(guò)把兩個(gè)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(kāi)了整體葉環(huán)制造的復(fù)雜工藝。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jì)，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(yàn)件Fig.2 The structure of bling specimen

2.3 強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度等因素對(duì)復(fù)合材料剛度、強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)。

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(duì)稱單元模擬。邊界條件為：約束試驗(yàn)件軸頸與傳動(dòng)軸螺栓連接處(圖3中A處)節(jié)點(diǎn)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(yàn)件的應(yīng)力計(jì)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(yàn)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(yàn)件的理論臨界破裂轉(zhuǎn)速。計(jì)算結(jié)果表明，試驗(yàn)件的試驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，滿足試驗(yàn)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(qiáng)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(gè)過(guò)程：一是預(yù)制體的制備過(guò)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(guò)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(kāi)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(jì)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(gè)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(jī)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(guó)燃?xì)鉁u輪研究院與沈陽(yáng)金屬研究所合作，應(yīng)用纖維涂層法制備了國(guó)內(nèi)首個(gè)SiC(f)/TA12復(fù)合材料整體葉環(huán)試驗(yàn)件，如圖7所示。

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

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 強(qiáng)度考核試驗(yàn)技術(shù)狀態(tài)

(1)試驗(yàn)環(huán)境為室溫和500℃。

(2)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為計(jì)算的試驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速精度為±50 r/min，試驗(yàn)穩(wěn)態(tài)保持轉(zhuǎn)速時(shí)間為5 min。

(3)測(cè)量周向和徑向應(yīng)變，重復(fù)測(cè)量次數(shù)不少于三次；周向和徑向應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)各三個(gè)，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(yàn)結(jié)果及分析

室溫和500℃條件下，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速?gòu)?qiáng)度考核試驗(yàn)后，葉環(huán)主體部分表面均未發(fā)現(xiàn)破壞；有限元計(jì)算所得理論周向應(yīng)變與試驗(yàn)測(cè)量值吻合較好，誤差在10%以內(nèi)。

另外，對(duì)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(duì)比，其結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，整體葉環(huán)無(wú)論從零件數(shù)量還是質(zhì)量上，都具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以國(guó)內(nèi)首個(gè)SiC(f)/TA12復(fù)合材料壓氣機(jī)整體葉環(huán)試驗(yàn)件為例，探討了整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。利用ANSYS軟件對(duì)該試驗(yàn)件進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，采用最大應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則和平均周向應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則，對(duì)其橫向和周向靜強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了初步驗(yàn)證。通過(guò)壓氣機(jī)整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)方法的合理性及正確性，驗(yàn)證了纖維增強(qiáng)整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)在減重方面的優(yōu)越性。

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

[1]李成功，傅恒志，于翹，等.航空航天材料[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

[2]Koop W，Cross C.Metal matrix composites structural de?sign experience[R].AIAA 1990-2175，1990.

[3]Muschlitz G，Ravindranath R.Evaluation of TiMMC for gasturbineenginerotatingcomponents[R].AIAA 2008-1677，2008.

[4]Leyens C，Kocian F，Hausmann J，et al.Materials and design concepts for high performance compressor components[J]. Aerospace Science and Technology，2003，7(3)：201—210.

[5]Steffens K，Wilhelm H.Next engine generation:materials, surface technology,manufacturing processes,what comes after 2000?[R].München：MTU AeroEngines，2001.

[6]Krammer P，Rued K，Truebenbach J.Technology prepara?tion for green aero engines[R].AIAA 2003-2790，2003.

[7]Grant P.Titanium composites:ready for flight[J].Materials World(UK)，1997，5(2)：77—78.

[8]Fan Z，Grant P S，Cantor B.Manufacture of hoop rein?forced Ti-MMC rings by spray/wind process[J].Key Engi?neering Materials，1997，127—131：335—342.

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(jí)工程師，主要從事壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。