黄宗峥，米栋，李坚，郭小军，赵振华，汪文君
(1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002；
2.南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点试验室，江苏 南京 210016)
喷气式飞机在起飞、降落或低空飞行时，航空发动机在吸入空气的同时可能会吸入石块、砂粒、螺栓或铆钉等硬物，会对风扇或压气机叶片造成外物损伤[1](foreign object damage，FOD)。外物损伤会严重影响叶片疲劳强度，使得叶片在工作过程中发生难以预估的疲劳断裂，引发严重的飞行事故。发动机叶片的外物损伤严重影响飞行安全，且维修费用昂贵。因此，研究叶片外物损伤规律对叶片的抗外物损伤设计具有重要借鉴意义。
20世纪90年代中期，美国HCF计划中分析对比了6种FOD模拟试验方法[2]：机械加工缺口法、摆锤/落锤法、螺线枪法、准静态挤压法、空气炮法以及整机吸入试验。从理论上讲，能够精确模拟FOD的试验方法只有整机吸入试验，但由于试验费用巨大，一般不用于实验室模拟。THOMPSON S R等[3]运用不同的试验模拟方法进行外物损伤模拟试验，认为空气炮法可通过大量的经验积累来达到准确模拟FOD的试验方法。南京航空航天大学自主研制了空气炮高速弹道冲击试验系统，进行发动机叶片的外物损伤试验研究。2014年，刘超等[4]研究了空气炮法模拟叶片FOD的可行性，研究表明使用空气炮法预制损伤处具有材料丢失、剪切撕裂、微裂纹、塑性变形等真实FOD的损伤特征。
早在1982年，美国NICHOLAS T等[5]用平板试件模拟叶片，研究小型硬体外物对压气机叶片的损伤，试验分析了外物材料、形状、速度等因素与损伤形式、损伤程度的关系，并提出了能够定量描述损伤情况的临界损伤速度和几何标度的概念。2003年，NOWELL D等[6]研究了冲击角度、前缘半径和叶片楔角对损伤的影响。2020年，ZHAO Z H等[7]通过空气炮法进行了FOD模拟试验，详细研究了试样的宏观和微观冲击损伤。
本文以不锈钢模拟叶片为研究对象，通过空气炮法研究不同外物类型、外物尺寸、冲击速度、冲击角度以及前缘半径对损伤规律的影响，为之后高周疲劳试验做了准备，同时可为航空发动机叶片抗外物损伤设计提供依据。
1.1 试验对象
试验对象为两种前缘半径的模拟叶片，模拟叶片材料为1Cr15Ni4Mo3N不锈钢，材料参数见表1。不锈钢模拟叶片选用厚度为2 mm的不锈钢板材，根据HB5277—84标准进行加工，如图1所示。
表1 1Cr15Ni4Mo3N不锈钢材料属性
图1 模拟叶片具体尺寸图
外物损伤试验中，采用200 m/s和280 m/s两种不同的冲击速度，分别以30°和60°冲击角对两种前缘的不锈钢模拟叶片进行冲击试验，冲击示意图如图2所示。
图2 冲击示意图
1.2 外物材料特性
空气炮模拟外物损伤试验采用钢珠、玻璃珠和金属块3种外物，如图3所示。钢珠和玻璃珠分别采用直径2 mm和3 mm两种尺寸；
金属块采用与直径2 mm和3 mm钢珠体积相同的两种尺寸，棱长分别为1.612 mm、2.418 mm。钢珠和金属块采用GCr15轴承钢作为原材料。轴承钢以及玻璃的材料参数如表2所示。
图3 外物实物图
表2 外物材料参数
1.3 试验方法
本文共开展了包含不同前缘半径、外物类型、外物尺寸、冲击速度及冲击角度的48件不锈钢模拟叶片外物损伤试验。
使用南京航空航天大学自主开发的NH-10空气炮试验系统开展外物损伤试验，试验设备如图4所示。试验后的损伤缺口采用三维体视显微镜进行测量，从而得到损伤深度尺寸及损伤宽度尺寸。
图4 NH-10型空气炮试验系统
2.1 损伤类型
外物撞击叶片形成的缺口损伤形式有多种，有缺口、鼓包和撕裂。发射钢珠和玻璃珠产生的损伤形式主要分为两种：缺口和鼓包，如图5所示；
发射金属块产生的损伤形式主要分为3种：缺口、鼓包以及撕裂，如图6所示。
图5 典型的钢珠/玻璃珠冲击损伤形式
图6 典型的金属块冲击损伤形式
2.2 外物损伤规律分析
根据外物损伤试验所得结果，分析不同外物类型、外物尺寸、冲击速度、冲击角度以及前缘半径对叶片损伤的影响。根据2.1节所述，因为损伤类型有所不同，故在作图时对某些点进行了标注，在此说明：未标注损伤类型为缺口，圆形标注损伤类型为鼓包，方形标注损伤类型为撕裂。
1)外物类型的影响
图7、图8为不同外物类型对不同前缘半径损伤的影响。选取了外物尺寸为2 mm和3 mm(由于金属块的体积与钢珠相同，所以图中并未以其棱长作为图例)，冲击角度为30°，冲击速度为280 m/s的试验工况点。由图可得，在0.09 mm前缘半径的损伤中，由于钢珠和金属块的密度和硬度比玻璃珠大，导致钢珠和金属块的能量都大，所以损伤宽度和深度以玻璃珠、钢珠、金属块依次增大。其中金属块所造成的损伤比钢珠和玻璃珠损伤都要大，这是由于金属块的形状所导致的。在0.1 mm前缘半径的损伤中表现出的情况与0.09 mm前缘半径的损伤有明显不同，其中钢珠造成的损伤宽度和深度大于玻璃珠，但是金属块造成的损伤宽度和深度有明显减小。因为金属块为方形，金属块与叶片发生撞击时金属块的撞击姿态是不能控制的，所以金属块在0.1 mm前缘半径损伤中在某些工况下损伤宽度和深度减小。
图7 外物类型对0.09前缘半径损伤的影响
图8 外物类型对0.1 mm前缘半径损伤的影响
2)外物尺寸的影响
图9、图10为不同外物尺寸对不同前缘半径损伤的影响。选取不同外物类型，冲击角度为30°，0.09 mm前缘半径冲击速度为200 m/s，0.1 mm前缘半径冲击速度为280 m/s的试验工况点。由图可得，不管前缘半径是0.09 mm还是0.1 mm，冲击损伤宽度和深度都随着外物尺寸的增大而增大。尤其是钢珠和金属块尺寸的增大对损伤深度的影响较多，这是因为钢珠和金属块冲击能量要比玻璃珠大得多。
图9 外物尺寸对0.09 mm前缘半径损伤的影响
图10 外物尺寸对0.1 mm前缘半径损伤的影响
3)冲击速度的影响
图11、图12为不同冲击速度对不同前缘半径损伤的影响。选取3 mm的钢珠和玻璃球，棱长2.4 mm的金属块，冲击角度为30°的试验工况点。由图可得，前缘半径不管是0.09 mm还是0.1 mm，损伤类型为缺口的情况下，损伤宽度和深度都随速度增大而增大。当损伤类型为鼓包的情况下，速度大小对损伤宽度和深度的影响并没有表现出一种规律。同时，冲击速度对损伤类型也有影响，这一点也可以从2.2节2)中可以看出。冲击速度的升高意味着外物能量的提升，所以导致速度低的情况下鼓包比速度高的情况鼓包较多。从图11中还可以看出，玻璃球对0.09 mm前缘半径的冲击损伤中，200 m/s速度冲击的损伤类型为缺口，而280 m/s速度冲击的损伤类型为鼓包，这是由于冲击角度的影响而导致的人为试验误差。
图11 冲击速度对0.09 mm前缘半径损伤的影响
图12 冲击速度对0.1 mm前缘半径损伤的影响
4)冲击角度的影响
图13、图14为冲击角度对不同前缘半径损伤的影响。选取2 mm的钢珠和玻璃球，棱长1.6 mm的金属块，冲击速度为280 m/s的试验工况点。从图中可得，冲击角度对损伤宽度和深度的影响并不是特别明显，但是可以明显发现冲击角度为60°时，损伤类型鼓包和撕裂明显比冲击角度为30°时要多。
图13 冲击角度对0.09 mm前缘半径损伤的影响
图14 冲击角度对0.1 mm前缘半径损伤的影响
5)前缘半径的影响
图15为不同前缘半径的影响。选取了钢珠所有的试验工况点。从图中可以看出前缘半径对损伤宽度和深度并没有明显的影响。产生这种结果的原因有两点：第一，前缘半径相差不多，导致试验结果没有明显的特征；
第二，由于冲击角度的影响，导致试验存在人为的瞄准误差。
图15 前缘半径对损伤的影响
本文使用空气炮法开展了外物损伤试验，研究了不锈钢模拟叶片的外物损伤规律。通过不同工况(外物类型、外物尺寸、冲击速度、冲击角度、前缘半径)的试验结果，分析了试验参数对损伤宽度与深度的影响，得到了以下结论。
1)外物材料类型对冲击损伤影响十分明显，主要表现在材料的密度及硬度上。硬度较大的外物更易切削材料，造成的损伤深度较大；
材料密度与冲击能量相关，能量越大，造成的损伤越大。
2)外物尺寸、冲击速度对损伤宽度与深度的影响都呈现出正相关的关系，这也是由于冲击能量的影响。
3)外物损伤宽度和深度均与冲击角度和前缘半径之间没有明显关系。
4)冲击速度和冲击角度对损伤类型有较大影响，冲击角度越大、冲击速度越小时，鼓包型损伤明显增多，冲击角度越大、冲击速度越大时，撕裂型损伤明显增多。
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