基于气固热交互的航空发动机涡轮盘材料磨损演化机制及数值分析

During the take-off or landing and flying at low altitude in the sand-prone area, the hot-parts such as flange of turbine disc in the aircraft engine often suffered by an erosion wear where low-flux, small sized sand particles impact with high-speed at temperature of 550-900oC, to allow its life service dramatically less than the expected design life. There is an urgent need to clarify the wear behavior of components at the air-solid- thermal interactive environment..Currently, the erosive wear behavior at room to high temperature have been studied for a variety of operating conditions and have obtained some promised application effects in the research group of applicant. Therefore, the project will apply a combination method of basic experimental research and numerical analysis, to study systematically the microstructure changes and the erosion-oxidation behavior of above-mentioned engine parts materials under air-solid-thermal interactive environment, to characterize the comprehensive effect of its microstructure (the matrix feature and the shape, size, distribution of strengthening phases) and physical/mechanical properties on the erosion-oxidation resistance. Meanwhile, according to statistical optimization of high temperature environmental factors, high temperature erosion wear FEM model will be developed, accumulating basic data for the improvement of the properties and design optimization of engine parts.

航空发动机在风沙多发地区起飞或降落及低空飞行时，其热端部件如涡轮盘受到低通量、小粒径砂粒的超高速冲刷磨损，轮缘温度达到550-900℃,使其寿命比预期设计寿命大幅度减少。所以迫切需要阐明该部件在气-固-热交互环境下的磨损行为。.目前，申请者课题组针对多种工况下的常温到高温冲刷磨损行为进行研究并得到良好的应用效果。因此，本项目在前期研究、应用的基础上，拟采用基础实验研究和数值分析相结合的方法，进行系统地研究上述部件材料在气-固-热交互环境下的微观结构变化和冲蚀-氧化磨损行为，探讨显微组织（基体特征和强化相的形状、分布、大小）和物理/力学性能对其高温抗冲蚀-氧化磨损特性的综合影响，通过高温环境因素统计学优化，建立高温冲蚀磨损FEM模型，为提高航空发动机热端部件材料性能和优化设计积累基础数据。

航空飞机在风沙多发地区起飞、降落或者飞行于风沙多发地区时，其发动机热端部件常受到低通量小粒径沙粒的超高速冲蚀磨损，发动机涡轮盘等部件造成了极大的损伤，使热端部件材料的实际寿命远低于预期寿命。因此，研究变形高温合金冲蚀磨损的影响规律，对热端部件的寿命预测和发动机的安全运行、防护有重大意义。本课题从实验与模拟手段入手，还原热端部件在恶劣环境下的磨损特性，并设计对应的冲蚀实验参数；设计了单颗粒、多颗粒、多颗粒多角度的冲蚀模拟模型。系统的研究了热端部件用变形高温合金材料摩擦磨损特性及在不同磨损条件下受到颗粒冲蚀磨损损伤.首先，在室温、300℃、500℃、700℃下摩擦磨损试验结果表明，高温下组织变化对高温合金的摩擦磨损影响较小，拉伸断裂中的韧脆性、抗拉强度和屈服强度的降低、材料表面氧化层的增加与材料的磨损密切相关。同时，在不同冲蚀磨损条件下，分别对GH720Li、GH4169、GH4738的冲蚀磨损损伤性能进行检测实验结果表明：随着冲蚀角度的增大，材料的损伤机制由切削损伤机制转变为变形损伤机制，同时表现出高速/低角度、高速/高角度、低速/高角度和低速/低角度等不同情况下，三种合金均表现出不同程度的磨损损耗。以GH720Li合金为例，其冲击角在接近中间角60°附近时冲蚀速度最大，并且粒子冲击速度的增加会加快磨损。在55 m/s时，颗粒的较高的冲击能量超越硬度增加和γ′ 相变形所得到的能量吸收效应，使材料表面形成更大的凹痕和突起，从而加速材料的磨损。然而，在28 m/s时，冲蚀表面上留下的大的变形区域和硬度的增加意味着表面吸收了大量的冲击能量，这可以削弱冲击能量并有助于提高材料的耐冲蚀能力。冲蚀磨损相关性能分析表明，冲蚀损伤后次表面的显微组织变化和显微硬度变化阻止基体损伤恶化。.基于碰撞接触动力学仿真分析方法，在ANSYS LS-DYNA中进行固体颗粒冲蚀磨损过程的有限元分析。研究了单颗粒多角度、多颗粒单角度、多颗粒多角度的颗粒碰撞以及颗粒间的交互作用对冲蚀磨损速率的影响规律。多颗粒同时冲击模型揭示了不同条件下不同材料表面冲蚀破坏特性与次表面弹塑性行为之间的关联机制。应力、颗粒作用时间、吸收的能量这三大因素的改变直接影响冲蚀的损伤速率。这与实验结果吻合较好。这些结果将有助于提高涡轮盘类部件磨损失效使用寿命，并为其结构设计提供理论依据。