航空发动机叶片残余应力监测及安全评定研究

航空发动机叶片残余应力监测及安全评定研究（精选2篇）

航空发动机叶片残余应力监测及安全评定研究 篇1

航空发动机叶片残余应力监测及安全评定研究

针对航空发动机叶片的疲劳断裂问题,采用X射线衍射分析方法,对某型发动机压气机叶片进行了残余应力测试.分析了叶片表面不同部位残余应力随工作寿命和损伤情况的变化规律,探讨了将残余应力应用于叶片使用安全评定的可行性.结果表明,通过监测叶片表面残余应力,可以评估叶片的`疲劳损伤状况,解决叶片的安全使用评定问题.

作 者：刘建勋 魏东 刘成武 杨军良 LIU Jian-xun WEI Dong LIU Cheng-wu YANG Jun-liang 作者单位：空军第一航空学院,信阳,464000刊 名：科学技术与工程 ISTIC英文刊名：SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING年，卷(期)：20099(11)分类号：O348.6关键词：航空发动机 叶片 疲劳断裂 残余应力 X射线衍射分析

航空发动机叶片残余应力监测及安全评定研究 篇2

航空发动机叶片的疲劳断裂是一种多发性、危险性故障,也是国际航空界迄今没有得到有效解决的重大难题之一。为了控制叶片断裂故障的发生,减少由此引起的飞行事故,目前需要开展两方面的工作:一是改进现有的叶片缺陷检测手段,研究新的叶片损伤评估技术,有效解决叶片的安全使用评定问题;二是开展装机叶片的剩余寿命预测技术研究,确定合理的叶片质量检测周期,防止叶片在使用中出现严重的疲劳破坏。

叶片全寿命期可看作由疲劳期、过渡期和裂纹扩展期三个阶段组成。由于过渡期和裂纹扩展期相对较短,为了确保叶片在工作中不会发生断裂,需要在疲劳期就能对其进行准确的安全监控。目前工程上广泛使用的叶片缺陷检测方法,比如孔探、涡流探伤、磁粉探伤等,由于无法对叶片材料微观结构的变化提供有效监测,不能对疲劳期的叶片质量做出有效评价,因而不能从根本上解决叶片的安全使用评定问题,更不能用于预测装机叶片的剩余寿命。

国内外大量研究表明,机械零部件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着重要影响,残余应力的变化反映了零部件材料微观结构的变化[1,2]。为了有效地进行叶片的安全评定,并最终达到有效预测叶片剩余寿命的目的,现采用X射线衍射分析方法,对一定数量的叶片进行了残余应力测试,旨在通过测试分析叶片表面不同部位残余应力随工作寿命和损伤情况的变化规律,探讨将残余应力应用于叶片损伤评估和剩余寿命预测的可行性。

1 残余应力的测试方法

残余应力的测试方法可分为机械释放测量法和非破坏无损测量法两大类[3,4]。机械释放测量法是将具有残余应力的部件从构件中分离或切割出来使应力释放,然后测量其应变的变化求出残余应力,它主要包括盲孔法、环芯法、剖分法等,优点是测量的精度较高,但对构件的损伤较大,因而此法不能用于叶片残余应力的测量;非破坏无损测量法包括磁性法、超声波法、X射线衍射法等。磁性法测定残余应力的准确性不高,且只能用于铁磁性材料,尤其是不宜用来测定存在过高残余应力的构件。超声波法目前尚处于实验室阶段,因很多关键技术没有解决,还不能用于现场实测。X射线衍射法是通过测量材料内部微观结构变形得到被测试的局部区域的残余应力大小。由于X射线衍射法可以直接测量出残余应力的绝对值且结果较为精确,美国汽车工程师学会和日本材料学会都把X射线衍射法作为测量材料应力的标准方法。我国上海交大等高校与黎阳航空发动机公司等生产单位也均采用X射线衍射法测来测定叶片表面的残余应力,因此,现采用该法测试叶片表面的残余应力。

X射线衍射法测量残余应力的原理为:叶片表面或次表面存在的残余应力使得叶片材料晶体的晶格发生变形,即晶面间距发生了变化[5](不同晶粒中的同族晶面间距随着这些晶面相对于应力方向的改变发生规则的变化)。当应力方向平行于晶面时,晶面间距最小;当应力方向与晶面垂直时,晶面间距最大。因此,只要用X射线衍射法测出不同方向上同族晶面的间距,根据弹性力学原理,即可计算出残余应力的大小。

如图1所示,一定的金属材料晶面间距d是一定的,当X射线射入金属点阵后,会发生衍射现象,衍射角θ同晶面间距d有一定关系。当应力引起晶格间距d发生变化时,θ随之发生变化。根据X射线衍射测出的晶面间距d的变化即可计算出材料的残余应力。

叶片的疲劳过程就是载荷的重复作用导致叶片材料内部损伤的累积过程。发动机叶片在设计制造时大都预留有表面残余压应力,工作过程中在应力场和温度场的交互作用下,由于叶片结构型面特点和受力的不同,必然产生应力集中区,形成局部微小的弹塑性变形,而局部不均匀的弹塑性变形使材料晶格结构会发生变化,导致叶片局部区域残余应力的变化,叶片卸载后,残余应力将重新分布。因此,局部区域的残余应力能够间接反映叶片材料的微观、细观性质,叶片的内部缺陷往往是由于残余应力或内应力集中所致。

2 试验及结果分析

2.1 基本试验

采用以上X射线衍射分析法,选择某型发动机的若干压气机叶片进行了残余应力测试,以验证测试方法的可用性。这里仅举其中一个测点的例子。根据检测叶片某测点横向和纵向残余应力时所得的X射线衍射谱,可得到检测两个方向残余应力时的X射线衍射角2θ,其中:

测试横向残余应力时

2θ0°=154.416°,2θ45°=155.015°。

测试纵向残余应力时

2θ0°=154.415°,2θ45°=155.015°。

分别将二衍射角代入文献[5]中给出的计算公式,可得横向残余应力为-139.24 MPa,纵向残余应力为-381.5 MPa,合成残余应力为:-406.1 MPa。

经过对大量叶片和测点的测试结果进行分析和对比,可以发现,采用X射线衍射分析法能够保证叶片残余应力测试结果具有较高的可靠性和准确性,对同一点多次测量的残余应力相对误差都在工程要求范围以内。

2.2 不同工况叶片的测试结果分析

为了研究残余应力变化与叶片工作状况的关系,对某型发动机的新叶片、不同寿命工作叶片以及故障叶片分别进行了对比性试验。这里仅选择其中三个叶片的测试结果进行分析,图2给出了各测点的位置。测试结果分别列于表1～表3中。

大量的测试结果显示,对于新出厂的叶片,或经过喷丸强化处理后的叶片,表面各点的残余应力分布较为均匀;而对于装机工作过的叶片,表面各点的残余应力变化较大,且分布也不均匀,这在一定程度上说明,用叶片残余应力变化能够表征疲劳损伤的变化。

对于已工作562小时的沿B-A-C线有裂纹的叶片,在裂纹尖端C点的纵向残余应力最小(-221 MPa),表明在裂纹尖端由于塑性变形,使表面残余压应力显著松弛,而D点、E点等无缺陷区域的表面残余应力较高(-500 MPa以上)。

根据以上测试结果,可以得出:

(1)随着叶片工作寿命的增加,残余压应力逐渐减小;

(2)叶片使用一段时间后,表面各部位残余应力会发生不同程度的衰减,尤其是在已产生裂纹的尖端区域,残余应力衰减高达75%～80%倍;

(3)对于带有裂纹的叶片来说,裂纹附近各点的残余压应力要明显小于距离裂纹较远位置各点的残余压应力。这说明叶片产生缺陷后,必然会导致残余压应力的明显松弛;

(4)对工作时间较长的叶片即使喷丸处理后,在C、F点附近的残余压应力仍表现明显松弛,说明该部位受力集中,有断裂危险;

3 结论

通过测定叶片的残余应力状况,可以早期预测叶片有可能出现残缺的部位。针对具体的叶片部位监测其残余应力,找出各个危险点残余应力的变化规律,同时综合其他一些相关因素,可以判断叶片的损伤程度,实现对叶片质量进行安全评定,该方法在工程上可操作、实用性强,能够有效地控制叶片断裂故障的发生。

摘要：针对航空发动机叶片的疲劳断裂问题,采用X射线衍射分析方法,对某型发动机压气机叶片进行了残余应力测试。分析了叶片表面不同部位残余应力随工作寿命和损伤情况的变化规律,探讨了将残余应力应用于叶片使用安全评定的可行性。结果表明,通过监测叶片表面残余应力,可以评估叶片的疲劳损伤状况,解决叶片的安全使用评定问题。

关键词：航空发动机,叶片,疲劳断裂,残余应力,X射线衍射分析

参考文献

[1]张定铨.残余应力对金属疲劳强度的影响.理化检验—物理分册,2002;38(6):231—235

[2]李富凯.残余应力场中材料的疲劳行为.西安矿业学院学报,1998;18(2):154—157

[3]王秋成,柯映林,邢鸿燕.板类构件内部残余应力测试技术研究.浙江大学学报(工学版),2005;39(3):381—384

[4]陈会丽,钟毅,王华昆.残余应力测试方法的研究进展.云南冶金,2005;34(3):52—54