超塑成形/扩散连接焊缝受力机理与断裂行为研究

Titanium alloy hollow fan blade is the typical structure of the high-bypass turbofan engine nowadays. The design of the blade is first developed in our country, especially the investigation about the mechanism of superplastic forming / diffusion bonding needs to be performed urgently. In this project, regarding to the problem of indefinite mechanism of superplastic forming / diffusion bonding, significant deficiency and low rate of finished parts, none criteria of weld seam strength and none theory validation, a prediction method about superplastic forming / diffusion bonding weld seam fracture mechanism was proposed. The study about the mechanism of superplastic forming / diffusion bonding and the influence in weld seam strength improves welding technology. The investigation about the correlation between superplastic forming / diffusion bonding weld seam parameters and invalid stress provides theoretical analysis for engineering design. According to the analysis in weld seam invalid experiments, a validation method about weld seam invalid test can be used. The achievements of this project not only improve the superplastic forming / diffusion bonding manufacture success rate, provide the theoretical and experimental verification for the mechanism of superplastic forming / diffusion bonding weld invalid, but also offer solid scientific evidence for the development of our Titanium alloy hollow fan blade.

钛合金空心风扇叶片是目前国际大涵道比涡扇发动机的典型结构，但其研制在我国尚属首次，尤其是作为加工工艺的超塑成形/扩散连接机理研究亟需开展。本项目针对超塑成形/扩散连接过程机理不明确，工件加工缺陷大、成品率低，焊缝强度没有判定准则，工程设计和仿真分析缺乏理论依据的问题，提出了超塑成形/扩散连接焊缝受力机理与断裂行为预测方法。通过对超塑成形/扩散连接机理及结构对焊缝强度影响的研究，提高焊接工艺水平；通过对超塑成形/扩散连接焊缝参数与失效应力相关性研究，为工程设计和仿真分析提供理论依据；通过各种载荷工况下焊缝脱焊失效试验研究，建立复杂结构焊缝失效试验验证方法。本项目研究成果提高了超塑成形/扩散连接工件制作成功率，为超塑成形/扩散连接焊缝失效提供了理论参考和试验验证，并且为我国大客发动机钛合金空心风扇叶片研制提供了相关的科学依据，同时可以提高我国超塑成形/扩散连接工艺和理论水平。

钛合金空心风扇叶片是目前国际大涵道比涡扇发动机的典型结构，但其研制在我国尚属首次，尤其是作为加工工艺的超塑成形/扩散连接机理研究亟需开展。通过本课题研究：（1）提出超塑成形/扩散连接异形焊缝强度评估试验方法。通过总结超塑成形/扩散连接复杂焊缝结构参数对焊缝强度的影响规律，对大客发动机空心风扇叶片涉及的异形焊缝强度问题，给出了通过试验进行评估的方案。（2）提出超塑成形/扩散连接结构参数与焊缝失效相关度仿真预测分析方法。在对不同结构、不同尺度的焊缝进行仿真分析的基础上，通过对不同结构、不同尺度的焊缝进行仿真分析，建立焊缝在拉、压和复杂受力工况下，结构参数与焊缝失效相关度，分析了焊缝在不同参数和参数变化时对焊缝失效强度的影响。（3）提出超塑成形/扩散连接高频与高速冲击下试验设计与模型校核分析方法。为满足空心风扇叶片工程设计和强度需求，针对超塑成形/扩散连接所形成焊缝强度影响因素的复杂性，对焊缝高频振动和高速冲击载荷下脱焊失效机理进行试验验证。通过试验设备选择，流程设计，开展振动与冲击试验，进行试验结果分析，对试验与仿真进行对比验证。本课题研究成果对我国大客发动机相关部件及其它相关应用领域研发工作的开展具有积极的影响：（1）大客发动机超塑成形/扩散连接加工的空心风扇叶片研制。本课题通过对超塑成形/扩散连接机理性研究，为空心风扇叶片研制过程中质量保证、设计优化都提供了有益的输入。（2）大客发动机扩散连接加工的其它零部件研制。本课题研究成果可推广应用到所有采用扩散连接工艺加工的大客发动机及相关产品的零部件设计、加工和验证过程。 （3）采用扩散连接部件焊缝强度仿真与试验评估。通过本课题研究，建立了通用的扩散连接焊缝强度仿真和试验评估方法，并对焊缝强度影响因素及失效机理建立了量化评价标准。（4）超塑成形/扩散连接工艺改进。本课题研究成果中，所包含的焊缝强度影响规律及失效机理，可以为超塑成形/扩散连接工艺的改进提供直接的输入。