钛合金弯曲振动疲劳性能试验

刘崇

（1.天津职业技术师范大学，天津300222；2.辽宁省劳动经济学校，辽宁沈阳110045）

钛合金弯曲振动疲劳性能试验

刘崇1，2

（1.天津职业技术师范大学，天津300222；2.辽宁省劳动经济学校，辽宁沈阳110045）

在航空涡轮发动机中，叶片容易产生振动。国内外大量数据统计数据表明，叶片故障大部分是振动引起的。近年来，钛合金成为航空航天领域的重要材料，在涡轮发动机中压气机盘与叶片广泛采用。本实验是针对钛合金的振动疲劳试验，这是为了在今后设计、制造、使用中为确定其可靠性水平进行的试验研究，为飞机发动机可靠性设计、故障分析提供技术数据。

振动；钛合金；振动疲劳试验

引言

众所周知，航空涡轮发动机的关键部件——发动机叶片的劣势为：工作环境复杂、数量多、叶片故障占比例大。在研制新型发动机中，为提高叶片性能常需要投入大量的人力、物力、财力。在航空涡轮发动机中，叶片容易产生振动。国内外大量数据统计数据表明，叶片故障大部分是振动引起的。而对于发动机的核心技术中国长期受到外国技术的控制，中国能借鉴的技术资料少之又少，我国现在是孤军奋战。在中国为了发展航空领域发展，对于叶片相关研究，不仅仅需要现有的资料，还需要有大量的试验支撑。钛合金具有强度高、耐腐蚀好、耐热性高等特点。自上世纪中期开始钛合金逐步被世界发达国家重视[1]。近年来，钛合金成为航空航天领域的重要材料，在涡轮发动机中压气机盘与叶片广泛采用。本实验是针对钛合金的振动疲劳试验,这是为了在今后设计、制造和使用中为确定其可靠性水平进行的试验研究，为飞机发动机可靠性设计、故障分析提供技术数据。

1　叶片疲劳试验目的

在发动机工作过程中叶片如同一个个悬臂梁，在受到气体产生的振动后，叶片将受到更多的振动载荷。叶片在实践工作中受到众多形式的振动影响，其中以弯曲疲劳断裂失效最为常见，并且危害最大。通过表1统计资料可以看出叶片振动疲劳是导致叶片的故障原因，振动疲劳断裂甚至将造成发动机及其危险的重点事故。

表1　国内外发动机叶片故障的主要类型统计

叶片断裂是从裂纹产生、裂纹发展直至断裂几个过程逐步发展产生的。通过对振动疲劳断裂的研究可以看出断裂正是遵循疲劳断裂的规律，在振动循环力与叶片内里相互影响来实现的。当内力超过裂纹产生的振动力时叶片将不会出现振动疲劳断裂，反之则会出现。因此，本实验采用弯曲疲劳加载试验获得数据[2]。

2　弯曲疲劳试验系统

弯曲疲劳试验是利用振动试验系统完成的，该系统主要由振动台、专用夹具、传感器、测量放大器、频率计、动态应变检测系统、功率放大系统和振荡器等组成，如图1所示。振动发生系统产生振动并传至振动台;通过调整频率，被夹具固定在振动台上的工件类似悬臂梁，将处弯曲谐振下，通过功率放大器的作用加载使叶片振动振幅增大；并产生一阶弯曲，利用传感器及检查系统得到数据；通过应力幅，叶片位移，与系数的关系来处理数据。

图1　试验装置示意图

3　试样要求及数据分析

标准试样采用某TiAL合金材料，试样尺寸为: L1=10mm，L2=10mm，L3=5mm，L4=3.2mm，R1=3mm，R2=1 mm，h=3 mm，b=10 mm，试样去注意消除表面加工缺陷同时保证光洁度达。在振动台终端对试样进行牢固固定。

图2　钛合金弯曲振动疲劳试验的疲劳寿命曲线分析图

试验结果分析:通过钛合金弯曲振动疲劳试验的疲劳寿命曲线分析（图2）可以看出。在改系统钛合金试验加载方式下，曲线是一个连续下降型曲线，当在106循环周期内，曲线图形的下降趋势近似平缓。当到循环2×106次时应力迅速下降，因此对于发动机转子叶片在该区域要注重可靠性研究。

4　结语

模拟钛合金叶片材料的工作环境下的振动失效，具有工程应用指导意义。通过分析可以看出对叶片分析失效在循环2×106～2×107次也会产生失效，而对于高周试验研究较少，应加大研究。

[1]李重河,朱明,王宁,等.钛合金在飞机上的应用［J].稀有金属, 2009,33(1):84－91．

[2]赵萍,何清华,杨治国.航空发动机叶片疲劳断裂研究领域与方法概述[J].航空发动机,2009（3):58-61.

（编辑：刘楠）

Fatigue Performance Test of Titanium A lloy Bending Vibration

Liu Chong
(1.Tianjin University of Technology and Education,Tianjin 300222；2.Liaoning Labor Economy School,Shenyang Liaoning 110045)

The blades easily vibrate in aviation turbine engine.The faults of blade aremostly caused by vibration according to themass data at home and abroad.Nowadays,titanium alloy becomes important in aerospace field which is widely used in compressor discs and blades of turbine engine.This experiment is the test of vibration fatigue of titanium alloy,which is to test the reliability of titanium alloy used in design,manufactureand application.The research provides the data for the reliability design and faultanalysisofaircraftengine.

vibration；titanium alloy；testof vibration fatigue

TG115.5

A

2095-0748(2016)21-0073-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.21.32

2016-10-03

刘崇（1978—），男，辽宁锦州人，本科，天津职业技术师范大学机械电子工程专业工程硕士在读，现就职于辽宁省劳动经济学校，从事机电类专业课的教学工作。