外物损伤对TC4叶片高循环疲劳强度的影响研究

外物损伤（FOD）是航空发动机风扇／压气机叶片的一种常见故障，给发动机的安全性、经济性和战备完好性均带来不利影响。本项目针对风扇/压气机叶片的FOD容限设计问题，以叶片常用材料TC4钛合金为研究对象，开展TC4模拟叶片的高速冲击试验研究，揭示TC4叶片的FOD损伤机制和影响因素。开展TC4材料的静、动态变形和失效行为试验，建立其动态本构模型和失效模型，发展并验证TC4叶片的FOD数值模拟方法。开展TC4合金光滑试样、缺口试样和冲击损伤试样的高循环疲劳（HCF）强度试验研究，揭示FOD损伤对TC4叶片HCF强度的影响机制，建立并验证FOD损伤叶片的HCF强度预测方法。本项目对外物损伤叶片的HCF强度进行深入研究在国内尚属首次。研究成果对我国制定更为安全可靠的FOD容限设计准则、发展更为先进的FOD容限设计技术具有重要应有价值。

外物损伤（FOD）是航空发动机风扇／压气机叶片的一种常见故障，给发动机的安全性、经济性和战备完好性均带来不利影响。本项目针对风扇/压气机叶片的FOD容限设计问题，以叶片常用材料TC4钛合金为研究对象，开展了TC4叶片FOD损伤的试验模拟方法研究，建立了一套具有良好的可控性和可重复性的FOD试验模拟装置，可以在较宽的冲击速度和冲击角度范围内进行FOD的模拟试验。利用上述试验装置在典型冲击条件下开展了FOD损伤的模拟试验，通过对典型硬物冲击损伤的显微观测、金相观察和分析，初步揭示了TC4钛合金叶片FOD损伤的宏微观特征和残余应力分布特点。开展了TC4叶片FOD损伤的数值模拟研究，通过准静态、SHPB和缺口拉伸试验，测试获得了TC4合金不同温度和不同应变率下的拉伸和压缩真应力-真应变曲线以及不同缺口试件的室温准静态拉伸响应曲线，采用Bammann粘塑性耦合损伤模型建立了TC4合金的温度和应变率相关材料模型，对典型硬物冲击试验进行了数值模拟，验证了Bammann模型对TC4冲击变形和失效现象的预测能力。对典型冲击条件下的损伤试件开展了HCF强度测试试验，研究和揭示了不同条件冲击损伤对TC4合金HCF强度的影响规律，分析了损伤试件HCF强度下降程度与冲击损伤宏观几何尺寸的相关关系。通过不同缺口试件的HCF试验，研究和揭示了缺口几何对TC4合金HCF强度的影响规律，评估了传统疲劳缺口系数经验公式、临界距离理论和最弱环理论对TC4缺口HCF强度的预测能力，对临界距离方法进行了修正和完善。项目研究结果对进一步深入研究FOD对风扇叶片HCF性能的影响规律和预测方法、发展可靠的FOD容限设计技术奠定了良好的基础。项目研究周期内发表和录用学术论文6篇，培养硕士研究生4人。