小序

飞机在近地航行历程中，，，，，，，地面跑道上的碎片、 砂砾或金属物等硬物极易被高速气流吸入发念头 流道中，，，，，，，并与高速旋转的电扇/压气机叶片爆发碰 撞造成硬物损伤（亦称外物损伤Foreign Object Damage，，，，，，，FOD）。。。。。。。损伤部位极易成为高周疲劳 （High Cycle Fatigue，，，，，，，HCF）裂纹萌生源，，，，，，，造成风 扇/压气机叶片过早断裂，，，，，，，严重威胁航行清静。。。。。。。TC4钛合金因其精彩的抗拉强度［1-2］、较低的密 度和优异的抗疲劳性能［3-6］，，，，，，，成为发念头叶片的 常用质料，，，，，，，可显著减轻叶片重量，，，，，，，提升发念头推 力与燃油效率。。。。。。。因此研究TC4的攻击损伤的宏微 观特征［7］［8］及其对高周疲劳性能影响，，，，，，，对降低 发念头叶片在循环载荷下裂纹萌生危害，，，，，，，增强可 靠性至关主要。。。。。。。Hailong Deng［9］等人通过R=?1，，，，，，，?0.3和0.1的疲劳试验剖析了TC4钛合金的超高周 疲劳行为［10］，，，，，，，效果批注：试件的S-N曲线均为双 线性，，，，，，，体现出外貌滑移、外貌解理和内部解理三 种破损模式。。。。。。。S.Y. Oakley［11］等人对“叶片状” 试样开展弹道攻击实验，，，，，，，然后使用一种新的组合 循环试验举行疲劳测试［12］［13］［14］。。。。。。。该要领旨在 解决飞机发念头叶片受异物损伤后剩余疲劳寿命 的展望问题。。。。。。。J.O Peters［15］和ZHU LEI［16］等人 研究了FOD对TC4合金外貌疲劳裂纹萌生和扩展 的影响，，，，，，，发明凹坑损伤主要通过预制小裂纹、引 发应力集中、引入剩余应力及导致塑性变形等方 式降低疲劳强度。。。。。。。J. Ding［17］等人研究TC4板试 样在低周和高周疲劳（LCF/HCF）复合载荷条件 下受异物损伤（FOD）后的小裂纹扩展行为。。。。。。。结 果批注，，，，，，，剩余应力对裂纹前沿形状的生长和疲劳 寿命都有显著影响。。。。。。。Benjamin Hanschke［18］等人 研究了高压压气机叶轮要害的异物损伤（FOD） 区域并剖析了由异物损伤引起的应力集中对疲劳 强度的影响。。。。。。。S. Spanrad［19］等人对激光攻击强化 （LaserShock Peening，，，，，，，LSP）后的TC4合金翼型试 样开展了FOD后在高周（HCF）、低周疲劳以及 崎岖周组合载荷条件下疲劳试验。。。。。。。效果批注，，，，，，，在 相似的加载条件下，，，，，，，经激光攻击强化（LSP）处 理的试样，，，，，，，其裂纹萌生相比未处置惩罚的试样有所延 迟。。。。。。。损伤特征取决于弹丸的几何形状、撞击角度 以及撞击速率。。。。。。。Steven R. Thompson［20］等人研究 了剩余应力对TC4合金外物损伤（FOD）高周疲 劳（HCF）强度的影响。。。。。。。效果批注，，，，，，，退火去剩余 应力后合金疲劳极限显著提高［21］［22］。。。。。。。David B. Lanning［23］等人提出了基于缺口周围应力漫衍的 临界距离要领［24］［25］［26］，，，，，，，用于展望缺口圆柱形TC4试样高周疲劳寿命。。。。。。。其展望精度在测试疲劳 极限应力的12%以内，，，，，，，可用于TC4部件的疲劳设 计。。。。。。。R.Hall［27］等人接纳通用的边沿翼型试样，，，，，，， 研究了早期疲劳裂纹扩展行为，，，，，，，通过有限元法分 析了FOD引入的剩余应力，，，，，，，并重点讨论了剩余应 力在疲劳裂纹扩展表征中的作用。。。。。。。

综上可以看出，，，，，，，海内外对TC4合金硬物损伤 及对高周疲劳性能的影响已经有显著希望，，，，，，，主要 研究集中于差别攻击角度、攻击速率、损伤尺寸、 攻击位置等对损伤形貌及高周疲劳性能的影响。。。。。。。 受攻击试验条件限制，，，，，，，攻击弹体多为球体，，，，，，，攻击 形貌简单且多为椭球凹坑。。。。。。。航空发念头结构完整 性纲要划定：电扇/压气机外物损伤验证试验中损 伤位置应在最敏感的要害部位且施加损伤应力集 中系数Kt至少为3。。。。。。。因此有须要开展损伤形貌更 为重大，，，，，，，损伤水平更为严重的重大外貌攻击损伤 对HCF性能的影响研究。。。。。。。别的，，，，，，，方块子弹保存角 攻击、棱攻击和面攻击等多种损伤，，，，，，，因此与球体 子弹相比，，，，，，，能更理想地复现真实的重大损伤形貌。。。。。。。

本文针对TC4钛合金电扇/压气机叶片在服役 情形中易受硬物攻击，，，，，，，形成重大形貌损伤，，，，，，，进而 影响其高周疲劳（HCF）性能的问题。。。。。。？？？？？？沽艘 下研究内容：通过差别攻击条件（包括攻击速率、 攻击角度与弹体形状）以及差别试样状态（含缺 口与不含缺口）下的外物损伤（FOD）试验，，，，，，，对TC4钛合金举行损伤表征剖析，，，，，，，并对攻击后试样 举行高周疲劳测试，，，，，，，从而系统探讨差别攻击条件 下重大损伤形貌的演化纪律及其对合金高周疲劳 性能的影响机理。。。。。。。

1、试验

1.1试样

α+β双相TC4钛合金是航空发念头电扇/压气机叶片常用质料。。。。。。。本文所接纳的钛合金母材由发 念头公司提供，，，，，，，为TC4轧制板材，，，，，，，沿轧制偏向的 显微组织结构如图1所示，，，，，，，室温下的基本力学性 能见表1。。。。。。。

表 1 室温下 TC4 板材的基本力学性能

为比照缺口和攻击损伤对合金HCF性能的影 响，，，，，，，本文共设计了两种试样：1）厚度2mm的光 滑平板（图2）；；；；；2）在平滑平板试样基础上加工 出深度1mm、启齿角度90°、启齿底部半径1mm的V型贯串缺口，，，，，，，应力集中系数（Kt=3）。。。。。。。

所有试样均沿TC4板材轧制偏向接纳慢走丝 切割加工。。。。。。。为了降低试样外貌粗糙度和加工剩余 应力对HCF性能的影响，，，，，，，将加工后的试样沿加载偏向手工精磨，，，，，，，并在10-3 Pa真空炉内以620 °C保 温2 h，，，，，，， 随 后 空 冷 （ 真 空 热 处 理 工 艺 见 文 献［28］）。。。。。。。

1.2外物损伤模拟试验

硬物攻击试验的速率和角度划分凭证飞机飞 行时电扇/压气机叶片的线速率及其与硬物的典范 攻击角度设定。。。。。。。试验接纳高速弹道攻击装置（即 轻气炮装置，，，，，，，见图5）。。。。。。。该装置通过调理高压气室 内的气体压力控制弹体的发射速率，，，，，，，使用激光测 速装置丈量弹体速率，，，，，，，借助可调夹具以与三轴可 调平台准确调解攻击位置与角度。。。。。。。

弹体使用边长为2mm的正方体钢块和直径为3mm的钢珠，，，，，，，弹托为直径12mm的圆柱体硬质塑 料（图3）。。。。。。。鉴于飞机在现实航行中可能遭受形状 不规则的异物撞击，，，，，，，而立方体弹体因其撞击时接 触姿态的多样性，，，，，，，可形成损伤水平与形貌更为复 杂的凹坑，，，，，，，能更好地模拟真实工况，，，，，，，因此本研究 选用方块弹体作为主要模拟异物。。。。。。。

典 型 冲 击 速 度 设 定 为148m/s、225m/s和312m/s，，，，，，，凭证发念头行进速率、叶片线速率及叶 片装置角度可估算外物攻击路径和叶片中线形成 的攻击角度为30°~60°之间，，，，，，，其中最危险角度［4］通常为60°。。。。。。。因此攻击角度划分为30°与60°，，，，，，，示 意图见图4，，，，，，，攻击角度与位置可通过可调夹具及 其下方三轴台准确控制。。。。。。。详细试验计划见表2。。。。。。。 凭证试样长度及剩余应力影响规模，，，，，，，每个试样选 取等距离的4~5个冲点举行攻击。。。。。。。试样分组如下：FZ1、FZ2用于研究弹体类型与攻击角度的影响，，，，，，，F1、F2用于比照缺口损伤与攻击损伤对合金HCF性能影响；；；；；F3、F4用于研究差别攻击速率对损伤 形貌及HCF性能影响。。。。。。。

1.3高周疲劳试验

FOD攻击损伤有一定随机性，，，，，，，纵然相同攻击 条件也难获得完全相同损伤形貌，，，，，，，古板HCF测试 要领如成组法和升降法，，，，，，，由于其需要大宗相同冲 击损伤试验件不再适用。。。。。。。故本文接纳在指定应力 水平下加载至试样失效的要领，，，，，，，通过纪录疲劳循环周次及断裂点对应的攻击类型，，，，，，，以评估差别冲 击损伤的严重水平。。。。。。。带外物损伤的TC4钛合金试 样的高周疲劳测试在QBG-100型高频试验机上进 行，，，，，，，试验机频率约为100~120Hz（图6）。。。。。。。试验载 荷基于前期TC4钛合金的高周疲劳数据予以确 定，，，，，，，应力比取R=0.1以模拟现实服役条件。。。。。。。

2、试验效果与剖析

2.1外物损伤特征

差别攻击条件（攻击角度、攻击速率、硬物 类型）下所有试样的硬物攻击试验效果如图7。。。。。。。 使用光学显微镜对差别试样所有攻击点损伤形貌 举行视察，，，，，，，为利便将HCF试验效果与损伤形貌对 比剖析，，，，，，，每根试样HCF测试断裂位置的攻击点采 用黄色虚框标注（如图7中FZ1-#4、FZ2-#1、F4- #1、F3- #2）。。。。。。。F1、F2试样在缺口应力集中处 断裂。。。。。。。

比照差别攻击角度试样（FZ1、FZ2）可知： 相同弹体类型和攻击速率下，，，，，，，60°攻击形成的损伤 深度显著大于30°。。。。。。。在30°方块攻击 （FZ2- #1、FZ2-#3、FZ2-#4）试样上均视察到了两处损伤，，，，，，， 且第二次损伤面积显着较小。。。。。。。这一征象可归因于 较小的攻击角度导致方块形弹体在首次碰撞后，，，，，，， 以碰撞点为转动中心爆发转动运动，，，，，，，进而使相邻 棱边/角与靶材爆发二次碰撞。。。。。。。

比照差别类型攻击物的损伤特征发明：钢球 攻击形貌呈规则椭球形，，，，，，，随攻击角度减小凹坑深 度减小而椭球长轴增添。。。。。。。别的，，，，，，，凹坑出射侧伴有 更严重质料挤出和剥离征象，，，，，，，且未视察到二次损 伤。。。。。。。相比之下，，，，，，，方块攻击爆发的损伤形貌特征更 为重大，，，，，，，损伤区域越发尖锐。。。。。。。所有试样断裂点均 对应于方块形攻击损伤，，，，，，，由此可判断，，，，，，，在相同冲 击速率和攻击角度条件下，，，，，，，方块形攻击会爆发更 严重的损伤形貌与应力集中效应，，，，，，，批注方块异物 在叶片现实服役中有更高的危险性。。。。。。。比照差别冲 击速率的试样（F1、F2与F3、F4）可知，，，，，，，随攻击 速率的增添损伤面积与深度均显著增大，，，，，，，损伤程 度更为严重。。。。。。。

综合所有试样损伤形貌图可知，，，，，，，纵然相同攻击条件下，，，，，，，方块攻击所爆发的损伤形貌也保存较 大差别。。。。。。。凭证其特征，，，，，，，可大致分为三类：角攻击 损伤、棱攻击损伤、面攻击损伤。。。。。。。角攻击损伤 （如FZ2-#1、F2-#1、F4-#1）的典范特征为三角形 或菱形形貌，，，，，，，具有损伤面积小、深度大的特点，，，，，，， 且常为疲劳断裂点。。。。。。。棱攻击损伤（如FZ1-#3、F2- #2、F3-#1等）形貌多呈长条状，，，，，，，且出射侧常伴有 质料挤出。。。。。。。面攻击损伤爆发频率较低（如F2-# 4），，，，，，，其攻击面积最大，，，，，，，但损伤深度通常最浅。。。。。。。

表 2 FOD 攻击试验计划

2.2外物损伤HCF效果

表3列出了差别试样的加载条件及HCF测试 寿命，，，，，，，其中试样F1，，，，，，，F2，，，，，，，FZ1载荷相同（静载荷5.15kN，，，，，，，动载荷为4.21kN）。。。。。。？？？？？Ｋ剂康紽3攻击速率 较低，，，，，，，FZ2攻击角度较小，，，，，，，团结之前测试履历，，，，，，， 为阻止寿命周期过长对载荷响应增添。。。。。。。

表 3 试样 HCF 测试效果

所有试样高周疲劳测试效果如图8所示。。。。。。。带 有预制缺口（Kt= 3）的试样，，，，，，，其疲劳寿命较其 他带攻击凹坑的平滑试样显著缩短，，，，，，，且断裂位置 均位于缺口根部。。。。。。。这批注缺口型损伤比凹坑型冲 击损伤引发更严重的应力集中，，，，，，，对证料疲劳性能 危害更大。。。。。。。比照F3与F4测试效果可知，，，，，，，攻击速率从146m/s提高至225m/s，，，，，，，质料的疲劳寿命降低 了约56%，，，，，，，这批注攻击速率的增大会显著降低材 料的高周疲劳性能。。。。。。。

FZ1与FZ2试样断裂点均源自方块弹体攻击 损伤，，，，，，，且速率相同，，，，，，，其寿命差别主要源于攻击角 度差别所导致的损伤严重水平差别。。。。。。。若FZ2试样 在与FZ1相同的载荷条件下举行测试，，，，，，，二者因冲 击角度造成的寿命差别预计会越发显著。。。。。。。寿命量 化剖析批注，，，，，，，当攻击角度从30°增大至60°时，，，，，，，试 样的疲劳寿命至少降低了32%。。。。。。。在攻击速率相同 的条件下，，，，，，，F4试样的寿命高于FZ1，，，，，，，这主要归因 于F4所遭受的载荷略低。。。。。。。

对TC4钛合金试样的失效断口视察发明：所 有断口的裂纹均萌生于缺口根部或攻击凹坑底 部，，，，，，，体现出多裂纹源特征。。。。。。。其中，，，，，，，F4试样的裂纹 形貌尤为显著，，，，，，，其扩展路径曲折，，，，，，，泛起出显着随 机性（图9）。。。。。。。比照差别攻击损伤水平的试样可 见，，，，，，，F3试样的攻击损伤较浅，，，，，，，响应裂纹的尺寸与 漫衍规模也较小。。。。。。唬；；；而F4试样的攻击损伤深且严 重，，，，，，，其裂纹的尺寸与漫衍规模均显著更大（图11）。。。。。。。这一效果明确批注，，，，，，，更严重的攻击损伤会显 著增进裂纹的萌生与扩展。。。。。。。

3、结论

本文针对航空发念头电扇叶片易受异物攻击 爆发重大外貌损伤，，，，，，，进而影响其HCF性能问题，，，，，，， 通过开展差别攻击条件（攻击速率、攻击角度、 子弹类型）下攻击试验预制了重大损伤，，，，，，，团结光 学显微镜下的损伤形貌表征与攻击后试样的高周 疲劳测试，，，，，，，系统评估了攻击损伤对TC4钛合金材 料的高周疲劳性能影响，，，，，，，并举行了失效剖析，，，，，，，主 要结论如下：

1）与球形子弹相比，，，，，，，方块弹体攻击形成的损 伤形貌更为重大，，，，，，，损伤越发严重。。。。。。。这主要源于其 在相同条件下形成的凹坑更深，，，，，，，且奇异的V型几 何轮廓引发更显著的应力集中；；；；；别的，，，，，，，在低角度 攻击时，，，，，，，方块弹体易爆发翻腾，，，，，，，导致二次损伤。。。。。。。

1）与球形子弹相比，，，，，，，方块弹体攻击形成的损 伤形貌更为重大，，，，，，，损伤越发严重。。。。。。。这主要源于其 在相同条件下形成的凹坑更深，，，，，，，且奇异的V型几 何轮廓引发更显著的应力集中；；；；；别的，，，，，，，在低角度 攻击时，，，，，，，方块弹体易爆发翻腾，，，，，，，导致二次损伤。。。。。。。

3）在300m/s，，，，，，，60°的典范服役工况下，，，，，，，纵然 是最严重的方块攻击损伤，，，，，，，其对高周疲劳性能的 削弱水平仍低于理论应力集中系数Kt= 3的机械 加工缺口。。。。。。。断口剖析批注，，，，，，，机械加工缺口处裂纹 呈多源萌生特征，，，，，，，而攻击损伤裂纹则多萌生于凹 坑底部的简单高应力区。。。。。。。该结论对基于Kt= 3准 则的发念头外物损伤试验验证具有主要指导意义。。。。。。。

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（注，，，，，，，原文问题：TC4钛合金重大外貌攻击损伤高周疲劳试验研究）

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