摘要

为了评价电子束焊修复风扇叶片抗外物冲击能力的影响并揭示其冲击失效行为，开展了实际修复风扇叶片高速弹道冲击试验。结果表明：在相同冲击条件下，完好叶片遭受冲击后产生沿弦向的条形片状材料损失；未经后处理修复叶片受冲击后裂纹倾向沿焊缝扩展；热处理和喷丸强化后的修复叶片虽沿焊缝率先萌生冲击裂纹，但很快停止扩展且未出现沿焊缝的材料损失，这是因为焊缝部位的抗冲击能力虽弱于叶片原始材料的，但热处理和喷丸强化能够改善焊缝的抗冲击能力；焊缝部位叶片减薄更容易萌生沿焊缝扩展裂纹，使叶片抗冲击能力降低；断口分析发现，补片的冲击断口出现尺寸较大的韧窝，焊缝冲击断口表现为高低错落的阶梯状准解理韧窝复合特征，准解理面内分布大量不均匀、尺寸较小的韧窝，进一步表明焊缝抗冲击能力低于原始叶片材料的。

关键词：风扇叶片；外物损伤；电子束补片焊接；抗外物冲击能力；TC4钛合金；裂纹；航空发动机

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引言

在飞机起降过程中，发动机风扇叶片经常遭受砂砾、石子和金属碎片等外物高速冲击，产生不同程度的冲击损伤。这种冲击损伤轻则使叶片的气动性能和高循环疲劳性能大幅降低，重则导致风扇叶片瞬间断裂，最终危及飞行安全。针对外物损伤(Foreign Object Damage,FOD)损伤，航空维修服务已经建立了1套标准处理方法：对于尺寸小的损伤采用磨修理磨平，对于尺寸较大的冲击损伤采用增材修理，对于尺寸过大的损伤直接报废。在增材修理方面，电子束焊修复工艺由于具备焊接速度快、焊缝宽度细窄、焊接残余应力小、焊接接头变形小、一次成形、精度高、工艺性好等诸多优点，受到发动机大修厂的青睐。电子束焊是利用加速聚焦的电子束轰击焊接面并使被焊工件熔化实现焊接的方法。电子束焊接修复的风扇叶片既能获得与原始风扇叶片相近的高循环疲劳(High Cycle Fatigue，HCF)性能和叶片气动性能，同时也能将成本控制在新叶片的50%左右。虽然电子束焊工艺已经日趋成熟，但在实际叶片修复方面还存在着诸多问题，电子束焊后的叶片仍需要依照新设计叶片试验要求进行结构完整性以及高速弹道冲击试验考核。该考核的目的是审查电子束焊修复叶片的再次抗冲击能力，即修复后叶片再次遭受同等能量的冲击后损失的材料不能超过原始叶片。因此，电子束焊接修理风扇叶片的抗外物冲击能力评价受到关注。

对于电子束焊接修理风扇叶片的抗外物冲击能力评价，Azar等基于手枪发射子弹冲击风扇叶片的方法，开展了电子束焊修理风扇叶片的抗外物冲击性能研究，表明电子束焊接修复工艺对风扇叶片抗冲击能力没有明显影响。由于长期致力于发动机设计问题，中国虽然在电子束焊工艺领域和力学评价方面研究甚广，但在叶片电子束焊修复后抗冲击能力评价方面开展的工作十分有限。李吉帅开展了TC4合金厚板电子束焊接接头处的冲击强度测试，发现TC4合金板焊缝处的冲击韧性低于母材的，母材的冲击断口区为准解理和韧窝的混合断裂，而焊缝处为准解理的脆性断裂；Sun等研究了TC4合金的电子束焊接部位的拉伸断裂行为，发现微孔的成核和生长、微孔产生的微裂纹的形成以及微裂纹的生长和扩展是引起焊缝断裂的主要因素。在上述研究中，抗冲击能力考核是保障电子束焊修复叶片结构完整性的特有且重要方面，但目前国内外对该问题研究较少，对机理方面认识不足。

本文基于高速弹道冲击试验平台，针对完好风扇叶片、电子束焊接修复后未处理/后处理的风扇叶片和补片区减薄叶片开展了焊缝区域的高速弹道冲击试验。

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风扇叶片高速弹道冲击试验

1.1 试样

为了开展电子束焊修复的风扇叶片高速弹道冲击对比试验，本文分别准备了3组风扇叶片：(1)2件完好叶片；(2)1件无后处理电子束焊修复的叶片；(3)3件电子束焊修复后热处理+喷丸强化叶片(含1件补片减薄叶片)。电子束焊修复的风扇叶片如图1所示。电子束焊三角形补片虽然修复后的叶片外观大体与完好叶片无异，但通过调整反光视角可以清晰分辨电子束焊缝位置。3组风扇叶片的材料为常用的α-β两相TC4钛合金。

图1 电子束焊修复的风扇叶片

电子束焊修复风扇叶片完整修复工艺包括：(1)叶片冲击损伤的(允修)检查；(2)损伤叶片的清洗和去涂层处理；(3)测量损伤叶片基本参数（质量、共振频率、型面几何尺寸等）；(4)机械切割去除叶片损伤部位；(5)通过电子束焊将补片焊接到叶片基体；(6)基于叶片型面几何参数除去多余补片材料；(7)无损检测（荧光探伤和X光检测）；(8)去应力热处理和喷丸强化处理。

1.2 试验装置和方案

1.2.1 试验装置

为了研究电子束焊接修复后风扇叶片的抗外物冲击能力及冲击失效行为，需要在实验室条件下模拟外场航空发动机风扇叶片再次遭受的严重冲击损伤（但是损伤范围小于补片范围）。相较于准静态挤压法和低速冲击法等外物冲击模拟试验方法，本文采用的高速弹道冲击法（即轻气炮法）具有准确再现外场冲击过程和再现损伤宏微观特征的优点。高速弹道冲击试验装置原理如图3所示，即控制电磁阀释放高压气室中的压缩气体，通过气体膨胀作功加速弹体，最终冲击炮管尾端的试验件。本试验可以通过调节高压气室气压大小改变冲击速度，通过在装弹口处装入点激光进行着弹点的瞄准，通过调节3轴可调平台和夹具位置改变冲击角度和冲击位置。

风扇叶片工装与弹丸实物如图3所示。为了保证风扇叶片模拟冲击损伤的真实性，参考风扇叶片装配方式设计了一种与燕尾型榫头配合的专用夹块，并通过自定心虎钳夹具固定在3轴平台上（图3(a)）。由于外场中较严重的外物损伤通常是由尺寸较大的金属物体（如螺钉、螺母及遗留工具）造成，本文选取质量为2.52g、尺寸为9mm(ϕ)×5mm的45号钢圆柱以模拟外场可能出现的作为冲击硬物，以再现叶片电子束焊补片修复前可能发生如前缘掉块等的严重外物损伤事件。

图2 风扇叶片工装与弹丸实物

图3 高速弹道冲击试验装置原理

1.2.2 试验方案

经修复的风扇叶片进入服役后仍可能再次遭受外物冲击事件。根据外物冲击的随机性，本文设计了2种冲击方案：(1)外物冲击点沿前缘且均于补片上；(2)外物冲击点横跨焊缝且有的直接冲击焊缝。为了节省样品开支，2种冲击方案各依次发射3个子弹冲击叶片，预先估计3个冲击位置间距以达到损伤干涉较小的目的，2种冲击方案的冲击位置如图4所示。方案1主要探讨冲击补片使能量传至焊缝处导致其破坏的情况；方案2额外考虑直接冲击焊缝以及冲击基材使能量传导至焊缝使其破坏的情况。外物冲击损伤的冲击速度通常由风扇叶片受冲击部位线速度矢量和硬物目身吸入线速度矢量和硬物自身吸入速度矢量共同组合而成。依据5702厂提供的航空发动机风扇叶片转速及叶片叶尖旋转半径，计算得到叶片受冲击部位的线速度为400m/s，而通常硬物自身速度远小于叶片线速度，可以忽略不计。因此，本研究选取叶片线速度为400m/s作为外物冲击速度，并选取90°为冲击角度，发射尺寸为9mm（φ）×5mm的45号钢圆柱弹体冲击风扇叶片，冲击能量等于201.6J。

2种冲击方案均采用以上冲击速度、冲击角度与硬物，电子束焊接修复风扇叶片的冲击试验方案见表1。在方案中，还对在电子束焊修复工艺中由于工艺问题而导致过渡减薄的风扇叶片开展对比试验，以探究电子束焊修复叶片进过减薄处理后能否满足抗外物冲击性能要求。将完好叶片（Undamaged Blade）编号为UB，将无后处理电子束焊修复的叶片（Electron-beam-welding Blade without post-processing）编号为EB，将经热处理+喷丸强化的电子束焊修复叶片（ Electron-Beam-welding blade with Post Treatment）编号为ED-PT，将冲击点编号为-1、-2或-3，例如UB-1表示完好叶片的第1个冲击点。

图4 2种冲击方案的冲击位置

表1 电子束焊接修复风扇叶片的冲击试验方案

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试验结果与分析

2.1 光学观测结果

冲击试验后的电子束焊修理风扇叶片实物如图5所示。从图5(a)中可见，风扇叶片的冲击损伤主要表现为材料损失、凹坑、撕裂和局部变形等特征；从图5(b)中可见，暗黑色圆形凹陷为材料和弹体的冲击接触区域，亮白色部分为材料撕裂产生的掉块；从图5(c)中可见，弹体由于高速冲击而发生严重塑性变形。不同电子束焊修复风扇叶片冲击损伤对比如图6所示。总体而言，该冲击条件下外物冲击位置越靠近前缘越容易发生冲击掉块或撕裂，2种冲击方案产生了截然不同的失效方式。

图5 冲击试验后的电子束焊修理风扇叶片实物

图6 不同电子束焊修复风扇叶片冲击损伤对比

完好风扇叶片（UB1）的冲击损伤如图7所示。从图中可见，3个损伤均呈现具有材料损失的缺口特征，损伤形状均为缺口根部的半圆形弹体轮廓和沿叶片弦向的完全撕裂（掉块类似图5（b），UB-2缺口存在向叶片内发展的裂纹。可以认为叶片越厚的部位发生冲击撕裂的可能性越小，抗冲击能力就越强。由于厚度更大的叶身冲击抗性大于叶片前缘，裂纹在高冲击抗性区域趋向于沿半圆形接触轮廓发生撕裂，而低冲击抗性区域的材料则趋向于沿“前往”最低冲击抗性的最短路径（即厚度梯度最大）的方向进行撕裂。

图7 完好风扇叶片（UB1）的冲击损伤

无后处理电子束焊接修复后风扇叶片如图8所示。从图中可见，EB-l受到冲击后发生撕裂，但一侧的裂纹在向前缘延伸16mm后停止扩展，形成了材料未脱离的撕裂特征；EB-2损伤一侧沿厚度梯度最大方向撕裂，另一侧沿焊缝方向撕裂并最终形成三角形的有材料损失的缺口损伤，材料损失量较完好叶片相同冲击部位损伤UB1-2（图7）更大。分析可知，损伤EB-1的冲击失效形式与叶片UB1相同，只是由于叶片EB经过电子束焊补片修理后，冲击部位EB-1的补片厚度更大，冲击韧性更高，冲击能量不能满足裂纹完全沿弦向扩展并形成材料损失；损伤EB-2靠近电子束焊焊缝，焊缝处较低的冲击韧性改变了裂纹扩展路径，出现了有别于完好叶片冲击失效的另一种失效行为：裂纹在高冲击韧性区域趋向于沿半圆形接触轮廓发生撕裂，而对于远离焊缝一侧的材料趋向于沿最大厚度梯度方向进行撕裂，靠近焊缝一侧的材料趋向于沿冲击韧性更低的焊缝进行撕裂。由于电子束焊维修通常沿叶片一角进行切割焊接处理，裂纹撕裂路径较为倾斜，这就导致EB-2缺口的材料损程度大于相同冲击位置下损伤UB1-2。因此，焊缝部位的冲击韧性低于叶片原始材料的，冲击产生的裂纹倾向于沿焊缝扩展并产生大尺寸材料损失，也就是说未经后处理的电子束焊修复叶片的抗冲击能力能小于原始风扇叶片的。

图8 无后处理电子束焊接修复后风扇叶片

按方案2冲击完好叶片(UB2)的冲击损伤如图9所示。从图中可见，损伤UB2-1处的损伤呈现与之前UB1-1、UB1-2和UB1-3相似的材料损失的缺口特征。而损伤UB2-2和UB2-3损伤位于厚度较大的叶身处，高冲击韧性导致此处只出现了与弹体圆底面形状相同的凹坑，四周未发现裂纹。热处理和喷丸强化后电子束焊修复叶片的冲击损伤如图10所示。从图10中可见，损伤EBPT1-1与缺口损伤UB2-1类似，但其撕裂方向更偏向叶尖并具有更大面积的材料损失，这是因为叶片减薄导致补片厚度变小且补片叶型改变，导致最大厚度梯度方向不在平行于弦向而是偏向叶尖。损伤EB-PT1-2不同于相同冲击部位的凹坑损伤UB2-2,EB-PT1-2损伤表现出圆形凹坑的同时伴有数条从凹坑中心向外扩展的裂纹。其中，2条沿焊缝扩展较长、1条沿最大厚度梯度方向（垂直于焊缝）扩展撕裂，其余2条向叶片内扩展但明显偏短，说明电子束焊接后的焊缝部位抗冲击能力明显弱于叶片基体的。而由于冲击能量不足以满足裂纹沿焊缝扩展至叶片边缘，损伤EB-PT1-2并未出现相同部位损伤(EB-2)那样的沿焊缝的材料损失或掉块（图8）。损伤EB-PT1-3位于厚度较大的叶身处，高冲击韧性导致此处只出现了与弹体圆底面形状相同的凹坑，四周未发现裂纹。对比相同冲击位置的叶片UB2，可以得出电子束焊接后的焊缝部位损伤明显增大的抗冲击能力明显低于无焊缝完好叶片的。

图9 完好叶片（UB2）的冲击损伤

图10 热处理和喷丸强化后电子束焊修复叶片的冲击损伤

热处理和喷丸强化的电子束焊修复叶片冲击损伤如图11所示。从图中可见，损伤EB-PT2-1和EB-PT3-1与图8中的损伤EB-1类似，靠近前缘一侧沿最大厚度梯度方向（叶片弦向）发生贯穿性撕裂，叶身侧的损伤同样向最大厚度梯度方向撕裂，但由于叶身部位厚度和材料冲击抗性较大，冲击能量不足以驱使裂纹完全延伸并形成材料损失。损伤EB-PT2-2和EB-PT3-2呈现与弹体底面形状相同的圆形凹坑，但凹坑中心出现1条沿焊缝的穿透型裂纹，裂纹在向焊缝两侧短暂扩展后偏离焊缝，按照“X”形状向外扩展，未出现沿焊缝撕裂的大面积掉块情况，说明热处理+喷丸强化能够改善电子束焊补片修复叶片的抗冲击能力。Tsai等对TC4材料的电子束焊接焊缝部位进行热处理后发现，适当的热处理工艺能够提高TC4材料电子束焊接焊缝部位的屈服强度和伸长率，从而进一步提高焊缝的拉伸性能。损伤EBPT2-3和 EB-PT3-3同样位于厚度较大的叶身处，出现与损伤EB-PT1-3相似的凹坑特征。

图11 热处理和喷丸强化的电子束焊修复叶片冲击损伤

对比损伤EB-PT1-2(图10)和损伤EB-PT2-2和EB-PT3-2(图11)，由于叶片EB-PT1焊缝部位厚度小于叶片EB-PT2和EB-PT3的焊缝，使得叶片EB-PT1焊缝部位的冲击抗性低于叶片EBPT2和EB-PT3的，因此前者出现了沿焊缝扩展的细长裂纹，而后者沿焊缝扩展的裂纹较短。显而易见，沿焊缝的长裂纹更容易导致叶片在服役过程中出现沿焊缝的大面积材料损失。因此，在电子束焊修复叶片过程中，叶片补片不能进行减薄处理，建议在叶片较厚部位进行补片机械切割和电子束焊接以提高电子束焊叶片的抗冲击能力。

综上，初步判断，电子束焊接修复后热处理+喷丸强化叶片再次遭遇冲击时，虽会在焊缝产生裂纹但并未发生大面积补片掉块现象，表明叶片电子束焊修复工艺能够满足抗外物冲击能力要求。

2.2 断口分析

采用扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）对电子束焊修复叶片(EB-PT2和EB-PT3)的冲击失效断口进行了微观观测。热处理和喷丸强化的电子束焊修复叶片(EB-PT3-1)的微观断口形貌如图12所示。从图中可见，在冲击入射一侧存在由于弹丸高速挤压和摩擦导致的光滑挤压变形特征，在出射侧呈现出代表瞬间塑性断裂的明显韧窝特征。热处理和喷丸强化的电子束焊修复叶片(EB-PT3-2、EB-PT2-2)的微观断口形貌如图13、14所示。从图中可见，2断口形貌特征相似：靠近冲击入射一侧的断口出现宽约80~120μm的冲击剪切唇，断口其余部位均呈现出大量高低错落的阶梯状平面，这些阶梯状平面内有大量分布不均、尺寸不一的韧窝。分析认为该特征为准解理面和塑性韧窝相结合的复合断裂特征。对比发现，母材部位断口出现的韧窝尺寸要大于焊缝部位断口的，即前者材料的塑性韧性要大于后者的。这表明虽然电子束焊缝部位材料的硬度强度较高，但是其抗冲击能力弱于母材的。

图12 热处理和喷丸强化的电子束焊修复叶片(EB-PT3-1)的微观断口形貌

图13 热处理和喷丸强化的电子束焊修复叶片(EB-PT3-2)的微观断口形貌

图14 热处理和喷丸强化的电子束焊修复叶片

（EB-PT2-2）的微观断口形貌

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结论

(1)完好风扇叶片前缘部位遭受外物冲击后，易产生沿厚度梯度最大方向(弦向)的条形撕裂片(材料损失)，补片的抗冲击能力与叶片原始材料的相同。

(2)靠近焊缝与前缘位置遭遇外物冲击时，冲击裂纹倾向于沿焊缝扩展并可形成较大的材料损失，表明焊缝的抗冲击能力显著弱于叶片原始材料的。但电子束焊经热处理和喷丸强化后，焊缝被冲击时虽萌生了沿焊缝的裂纹却并未沿焊缝继续扩展，说明热处理和喷丸强化能够改善电子束焊接修复叶片的抗冲击能力，叶片修理工艺能够满足抗外物冲击能力要求。

(3)材料越厚其抗冲击能力越强，电子束焊修复叶片补片部位不能减薄。

(4)断口分析发现，补片的冲击断口显示出尺寸较大的韧窝(韧塑性强)，焊缝冲击断口表现为高低错落的阶梯状准解理韧窝复合特征，解理面内分布大量不均匀、尺寸较小的韧窝(硬脆)，进一步表明焊缝抗冲击能力低于原始叶片材料的。

论文来源：航空发动机

作者：王大伟，贾旭，侯廷红，江荣，宋迎东