叶片作为航空发起机的关键构件，在使用过程中曾产生过屡次断裂，其中 25% 以上与高周委顿断裂有关，因而委顿抗力是衡量叶片靠得住性的重要指标之一［1］ 。委顿抗力对叶片加工产生的传染、划伤、同化、残存拉应力、晶粒细化等表表状态特点出格敏感。高机能航空发起机叶片大量选取钛合金铸造毛坯，并通过铣削加工步骤造作［2］ 。钛合金属于典型难加工资料，切削抗力大、切削温度高，极易造成被加工表表描摹缺点和表层组织危险，粉碎叶片构件表表的齐全性，从而严沉影响叶片委顿机能 ［3］ 。

委顿是一个极度复杂的过程，构件委顿失效受残存应力、缺口应力集中效应、棱边效应以及侵蚀环境等多多成分的影响。钻研批注，委顿寿命与粗糙度值成反比，粗糙表表上的划痕和凹坑直接产生裂纹，残存压应力会影响裂纹的萌生地位和扩大速度 ［4］ 。Novovic等［5］ 钻研批注较低的表表粗糙度会产生较长的委顿寿命，当表表粗糙度 Ｒ a 在 2． 5 ～ 5． 0 μm 时，残存应力和微观组织是影响工件委顿寿命的关键成分;但在400 ℃高温前提下，两者对委顿寿命的影响显著杜仔所降低。

章刚等［6］ 指出委顿寿命随表表粗糙度的增大而降低，并成立了平板缺口试样表表粗糙杜纂委顿寿命之间的二次关系模型。Sun 等［7］ 指出当表部载荷超过委顿极限时，委顿裂纹起头萌生;当机械加工引入较大的残存压应力时，必要更大的表载荷使裂纹萌生，有效地提高了资料的委顿机能［8］ 。Nie 等 ［9］ 以为，残存压应力能够抵消部门工作应力、预防裂纹萌生、提高裂纹萌生寿命;晶粒细化使位错在更多的晶粒中活动、塑形变形更均匀、屈服强度增大、提高裂纹扩大阈值 ［10］ 。为了凭据表表状态特点综合评价委顿机能，Hultgren 等［11］ 提出了委顿机能与表表粗糙度、残存应力、抗拉强度和失效循环次数间的解析模型。Wu 等［12］ 分析了分歧组织结构和晶粒尺寸对钛合金 Ti6Al4V 高周委顿寿命的影响，发现双态组织、网篮组织、等轴组织对委顿强度的提高顺次减弱。谭靓等［13］ 分析了 7055 铝合金铣削加工后的委顿寿命，指出肯定残存应力和硬化水平能够将裂纹萌生地位从表表转移到表表以下。Wu 等［14］ 钻研了喷丸强化对 GH4169 高温合金车削尺度试样委顿寿命的影响法规，提出表表粗糙杜纂委顿寿命成反比关系，残存应力和显微硬度是提高委顿寿命的关键成分，喷丸后的抛光工序能够改善表表粗糙度，将委顿的多源肇始变为单源肇始。

从上述分析可知，国内表学者在委顿方面的钻研重要集中于通过尺度委顿试样的拉伸、旋转弯曲委顿试验分析表表粗糙度、微观组织和残存应力变动对委顿机能的影响法规，未思考构件现实服役过程中的真实失效状态。因而，针对叶片构件在现实工作时所阐发出来的振动委顿失效，弱化加工工况的影响，分析表表粗糙度、残存应力、显微硬度等表表状态特点对叶片振动委顿寿命的影响，探索拥有分歧表表状态的叶片的委顿失效模式和失效行为是此刻火急必要解决的关键问题。

1 、试验过程

1． 1 叶片加工

为了齐全切合整体叶盘加工时的刀具工况、走刀轨迹和让刀，选择整盘加工实现后再选取线切割工艺宰割成单个叶片。凭据铣削基础试验测试了局，选择表 1 所示 5 组分歧铣削参数别离实现叶片单元件加工中精铣叶型工序，每组参数加工 4 个叶片，其中一个叶片进行表表粗糙度、表表残存应力和表表显微硬度测试，渣滓 3 个叶片做振动委顿试验。刀具选用株钻BＲ5 ×3° XD16 锥度球头刀、四齿、铣削方式为螺旋铣。叶片加工实现后，选取三坐标丈量机丈量叶型概括度领域［－0． 03 mm，0． 05 mm］，叶型未出现概括超差，切合设计工艺图纸精度要求。

1． 2 叶片模态分析

模态分析是一种结构固有属性分析，提取的位移和应力均为无穷纲了局，只反映散布趋向。固有频率低，在发起机工作中也容易出现激励频率与结构共振频率靠近，使叶片产生共振导致委顿失效，故选用一阶频率作为叶片振动委顿试验时确定共振频率的参考凭据。图 1 为叶片一阶模态 619． 03 Hz 下的位移场，叶片在一阶频率下阐发为弯曲振型，进气边叶尖处振动位移最大，由叶尖向叶根方向位移逐步减幼。图 2 为叶片在一阶频率下叶背和叶盆的模态应力散布，在一阶弯曲振型下，叶背模态应力大于叶盆，叶背最大应力区

在叶高方向位于距叶尖32． 44 ～60． 71 mm，弦长方向在距进气边 24． 74 ～30． 37 mm;叶盆在距叶尖 78． 6 mm，距进气边 29． 7 mm 的叶根圆角处。此模态了局可为振动委顿试验过程中最大应力区确定提供参考凭据。

1． 3 叶片委顿试验

叶片振动委顿试验在 ES-10D-240 型振动试验系统上进行，叶片通过专用夹具固定在电磁振动台上，如图 3 所示。凭据模态分析获得的一阶频率和位移散布了局，将扫频领域设定为 500 ～ 700 Hz，在距叶尖及排气边 5 mm 处用激光位移传感器监测叶尖振幅。由于试验过程中叶片的应力大幼不易丈量，必要把应力载荷水平转化为叶尖振幅通过振动试验台施加于叶片尖端。在图 2 所示的最大应力地位粘贴应变片，采集应变和振幅数据，标定应力与叶尖振幅之间的关系，了局如式(1)所示。

式中:x 为叶尖位移峰峰值，mm;y 为叶片的工作应力峰峰值，MPa。

2 、了局分析

2． 1 委顿寿命建模

5 组叶片的表表粗糙度、表表显微硬度和委顿寿命了局，如表 2 所示。本文采器拥有 50% 存活率的中值委顿寿命 N 50 进行叶片委顿寿命表征，中值委顿寿命N 50 界说如式(2)所示

式中:N为对数委顿寿命均匀值;N 50 为中值委顿寿命;n为母体数，即每组试样数量;N i 为每组内第 i 根试样的委顿寿命。

对表 2 所示的表表齐全性测试了局与委顿寿命进行非线性回归分析，成立 TC17 钛合金表表齐全性状态特点与委顿寿命的经验预测模型Ⅰ，如式(3)所示。该模型拟合的 Ｒ 2 =0． 925 8，注明拟合的模型对于分析表表齐全性对委顿寿命的影响是靠得住的。

式中:N f 为委顿寿命，Ｒ a 为表表粗糙度; HV 为表表显微硬度; σ r 为表表残存应力的绝对值。切削过程中刀具与零件表表间的摩擦、切屑分离时表表层金属的塑性变形以及工艺系统中的高频振动等成分使加工表表产生间距很幼的峰谷不平度，阐发为粗糙度值和表表描摹特点。在钻研中发现对于萌生于表表的裂纹，表表微幼裂纹或者划痕是引发委顿的

关键，零件在服役过程中受工作应力作用，在凹谷的最低点或最低点左近产生应力集中，推算公式如式(4)所示［15］ ，从而助长裂纹在构件表表的肇始。表表越粗糙，表表的谷壑越深，谷底的曲率半径越幼，产生的应力集中越严沉，抗委顿粉碎能力就越差。因而，文章提出思考在委顿寿命预测建模时将表表粗糙度和表表纹理对委顿寿命的影响用思考多项表表粗糙度指标和谷底曲率半径的应力集中系数表征。又由于资料由均匀塑性变形向部门集中塑性变形过渡的临界值用抗拉强度来暗示，它也是资料最大承载能力的表征量，当应力超过抗拉强度后构件随即产生失效断裂。表表显微硬度增长能够提高资料抗拉强度，增大裂纹起头扩大的阈值。鉴于此，本文提出依赖应力集钟注思考应变硬化和应力敏感性的叶片委顿寿命预测模型测模型Ⅱ，如式(5)所示。

式中:Ｒ a 为表表算术均匀误差;Ｒ y

为表表微观不平度

十点高度;Ｒ z 为指表表概括最大高度;n = 1 为待测面

受剪切载荷;n =2 为待测面接受弯曲载荷;ρ为均匀谷

底曲率半径。

中:N f 为委顿寿命;K st 为应力集中系数;HV 为加工硬

度值;HV 0 为基体硬度值;σ r 为残存应力测试值，MPa;

σ b 为资料抗拉强度，MPa;a i (i = 0，1，2，3) 为模型

系数。

依照上述模型对表 2 所示的叶片表表状态特点与

委顿寿命了局进行非线性回归分析，成立常温前提、工

作应力载荷 600 MPa 下 TC17 钛合金叶片振动委顿寿

命预测模型，如式 (6) 所示。该模型拟合的 Ｒ 2 =

0． 879 9，注明预测模型对于分析表表状态特点对委顿

寿命的影响是靠得住的。

式中:N f 为委顿寿命;K st 为应力集中系数;HV 为表表显

微硬度;σ r 为表表残存应力值。

选取已经成立的委顿寿命预测模型Ⅰ和模型Ⅱ对

5 组试验的委顿寿命进行预测，模型预测了局与委顿试

验了局的对好比图 4 所示Ｄ芄豢闯，两个预测模型

都对第 2 组试验的预测误差最大，对第 1 组试验的预

测误差最幼;模型Ⅰ的最大误差为 42． 05%，最幼误差

为 2． 60%，均匀误差为 13． 12%;模型Ⅱ的最大误差为

15．17%，最幼误差为 2． 55%，均匀误差为 8． 94%？

见，预测模型Ⅱ比通例预测模型Ⅰ的预测误差减幼

4． 18%，注明本文新提出的叶片委顿寿命预测模型的

正确性和靠得住性，也证明表表应力集中系数比表表粗

糙度能更系统全面的评估构件的委顿机能。

2． 2 表表状态特点对委顿寿命的影响

图 5 为叶片表表应力集中系数、表表残存应力、表

面显微硬度对委顿寿命的影响法规，分析发现残存应

力对委顿寿命的影响最显著，其次是表表应力集中系

数，最后是显微硬度。其中:第 1 组试验的表表应力集

中系数最幼，表表残存压应力和表表显微硬度最大，获

得最高委顿寿命;第 2 组试验表表应力集中系数最大，

表表残存压应力和表表显微硬度最幼，获得最低的疲

劳寿命;第 3 组和第 5 组试验表表应力集中系数较幼，

表表残存压应力和表表显微硬度较幼，获得较低的疲

劳寿命;第 4 组试验表表应力集中系数幼，表表残存压

应力较幼，但是表表显微硬度较大，委顿寿命较高？

见，表表粗糙度、表表残存应力、表表显微硬度对委顿

寿命的影响盘根错节，在现实加工中，必要合理的选择

加工工艺，实现表表粗糙度、显微硬杜纂残存应力的协

同节造能力提高构件的委顿机能。

2． 3 委顿断口分析

选择第1 组试验的1#叶片和第3 组试验的3#叶片

进行委顿断口分析，委顿源区的放大描摹如图 6 所示，

叶片表表粗糙度别离为 0． 373 μm、0． 417 μm，表表光

滑。第 1 组试验的 1#叶片裂纹发源于加工表表走刀纹

理处，第 3 组试验的 3#叶片委顿裂纹发源于资料同化

缺点处。两组试验的委顿裂纹均为表表单源肇始，这

重要是由于弯曲模态恒定应力加载前提下，委顿试样

表表自身接受最大拉应力，且试样加工表表走刀纹理

和资料同化部位存在部门应力集中。铣削工艺下委顿

源区均为典型的收敛类源区，源区左近断面平展，委顿

源区均可观察到大量辐射台阶从裂纹肇始点向周围扩

散，裂纹多向扩大如图中箭头所示;由于裂纹扩大速度

快，未观测到委顿曲线条纹;断面经过反复挤压摩擦后

委顿源区可见到闪光的幼面;由于铣削加工产生残存

压应力，增长了裂纹尖端的关合效应，有效减幼了交变

载荷作用下裂纹的张开和关合趋向，增长断口表表的

挤压与摩擦，使得裂纹源区平坦光滑。

图 7 是叶片的委顿裂纹扩大区特点，可发显欤劳

断口有好多藐幼、相互平杏注间距规定、与裂纹扩大方

向垂直的显微条纹特点，被称之为委顿条带

［16］ 。委顿

条带是裂纹扩大的微观痕迹，也是每次加载循环后裂

纹前缘地位的标识

［17］ 。叶片的委顿裂纹扩大时，裂纹

尖端金属资料产生较大的塑性变形，委顿条带是陆续

的，并向一个方向弯曲成波浪形，在委顿条带间存在有

滑移带。同时，常温下的委顿条带往往是穿晶带，晶粒

天堑对委顿裂纹的扩大起抑造作用，委顿裂纹扩大方

向从一个晶粒到另一个晶粒产生变动，产生的委顿条

带的方向也不一样 ［18］ 。观察图片还能够显著看到二次

裂纹在断口表表分散散布，它降低了主裂纹扩大的驱

动力，减幼了能量的传递，使得裂纹扩大速度降低。两

组试样的塑性变形层深度均为2 ～3 μm，故塑性变形层

对裂纹扩大速度的影响未产生较大差距；鼓芄环

现，第 1 组试验的 1#叶片的二次裂纹数量多于第 3 组

试验的 3#叶片，故 1#叶片的裂纹扩大速度幼于 3#叶

片，导致其裂纹扩大寿命大于 3#叶片。

委顿裂纹扩大至临界尺寸，即零件不及以接受表

载时产生失稳急剧断裂。叶片瞬断区特点如图 8 所

示，其地位在委顿形核地位的对侧，断口表表粗糙，有

大量相互衔接且大幼分歧的韧窝，注明 TC17 钛合金高

周委顿失效属于韧性断裂。在委顿裂纹急剧扩大阶

段，裂纹尖端区域地位已经超出了铣削加工产生的残

余压应力场、显微硬度场、塑性变形层深度的影响深

度，所有表表状态特点对委顿机能的影响均已隐没，可

见，TC17 钛合金铣削加工表表状态特点重要影响委顿

裂纹的萌生寿命和稳态扩大寿命。

3 结 论

本文选取分歧铣削参数加工 TC17 钛合金叶片，获

得了分歧叶片的表表状态特点;基于振动委顿试验，进

行了叶片应力散布测试，标定了应力与振幅之间的关

系，获得了表表状态特点对委顿寿命的影响法规;依赖

应力集钟注思考应变硬化和应力敏感性的叶片委顿寿

命预测模型，并进行了模型预测精度评估;凭据委顿断

口观测了局，探索了叶片振动委顿失效行为。了局表

明:叶片一阶弯曲振动下的最大应力地位位于叶背中

部，距叶尖48． 1 mm，距进气边26． 9 mm;提出的思考应

力集钟注应变硬化和应力敏感性的叶片委顿寿命预测

模型比通例指数预测模型的预测精度提高 4． 18%，证

明表表应力集中系数比表表粗糙度能更系统全面的评

估构件的委顿机能;残存应力对叶片振动委顿寿命的

影响最显著，其次是表表应力集中系数，最后是显微硬

度;委顿断口图像观测发现，叶片均为表表单源肇始，

委顿源区有显著的放射线特点，裂纹扩大区有委顿条

带和二次裂纹，瞬断区有韧窝特点，属于韧性断裂。

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