■ 文/黄宗峥 王建方 欧阳志高 刘 扬 曾雨琪

航空发动机的机匣包容性能严重影响着发动机的安全性，因此历来受到各航空大国的重视，在我国的航空发动机规范中都有专门的条文对包容性做出严格规定。目前关于航空发动机的规定和标准主要有《航空发动机适航规定》（CCAR–33）、《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》（GJB 241A–2010）、《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》（GJB 242A–2018）和《航空涡轮发动机包容性要求》（GJB 3366–1998）。

为了得到典型压气机机匣材料ZTC4 在不同冲击速度和冲击角度下的损伤及失效模式，开展了不同试验工况下的平板冲击打靶试验，试验结果可为ZTC4 高应变率本构失效参数的标定和压气机机匣包容性设计提供依据。

冲击打靶试验使用西北工业大学冲击动力学实验室气炮冲击实验平台，冲击系统示意图见图1。采用弹体为24mm 硬质钢珠，口径为25mm、炮管长度为5000mm 冲击气炮试验装置完成钢珠冲击靶板试验。ZTC 靶板尺寸为160mm×160mm，厚度为2.85mm，4 个安装边采用螺栓装配固定。

靶板安装于实验台后，通过调节试验台高低位置来实现不同弹着点的撞击，还可以通过调整试验台俯仰以实现不同角度的冲击试验。为了精准测量高速运动钢珠的冲击速度，本实验根据实际试验条件下采用遮挡式激光点测速设备测量冲击速度。

为了验证平板在垂直冲击与斜冲击情况下的抗冲击性能，拟进行0°、45°两种冲击角度冲击试验。0°冲击角度工况下，可得到机匣材料抗侵彻能力，同时可直接获得平板材料的损伤破坏模式；
45°冲击工况下，垂直于平板方向和平板切向方向的速度分量恰好相等，可验证有切向速度情况下对平板损伤失效模式的影响。

为了得到垂直冲击时不同速度工况下的失效模式，拟开展0°角垂直冲击3 种不同速度的冲击试验，分别得到了平板凹坑裂纹损伤（见图2）、临界穿透裂纹损伤（见图3）、穿透损伤（见图4）3 种不同的损伤模式和冲击速度，垂直冲击各工况下试验结果见表1。

图3 0°垂直冲击临界穿透裂纹损伤

表1 钢珠0°垂直冲击试验结果

图4 0°垂直冲击穿透损伤

叶片断裂后在气流的影响下，会以一定的角度撞击到机匣上，此时叶片速度不仅有垂直机匣的分量，也会有切向分量。本文拟开展45°角3 种不同速度冲击试验，分别得到平板凹坑损伤（见图5）、裂纹损伤（见图6），穿透损伤下损伤模式（见图7）和冲击速度，45°冲击各工况下试验结果见表2和表3。

表2 钢珠45°冲击未击穿试验结果

表3 钢珠45°冲击完全击穿试验结果

图5 45°冲击凹坑损伤

图6 45°冲击裂纹损伤

图7 45°冲击穿透损伤

ZTC4 平板在不同的冲击工况下失效模式不同，冲击速度和冲击角度对失效失效模式都有很大的影响。

由表1可知，在0°垂直冲击时，随着冲击速度增大，平板失效会经历凹坑、临界穿透、完全穿透损伤，3 种损伤模式都有裂纹产生。钢珠冲击速度为117m/s 时，平板表面留下3 条明显的主裂纹呈放射状分布，平板未穿透，撞击区域深度为10.6mm；
当钢珠冲击速度达到130m/s 时，平板开裂，表面留下4 条明显的主裂纹呈放射状分布，平板处于临界穿透状态，撞击区域深度为13.5mm；
当钢珠冲击速度达156.7m/s 时，平板冲塞破坏，表面留下5 条明显的主裂纹呈放射状分布，平板被完全穿透状态，留下23.1mm 直径的弹坑，撞击区域深度为17.1mm。

由表2和表3可知，在45°冲击时，随着冲击速度增大，平板失效会经历凹坑、凹坑裂纹、完全穿透损伤等3 种不同的损伤模式。钢珠冲击速度为100m/s 时，平板表面留下无明显的主裂纹，平板未被穿透，留下上下两个弹坑；
当钢珠速度达到136.5m/s 时，会产生凹坑裂纹损伤，主裂纹呈人字形状分布，主裂纹周围会产生多条微裂纹；
当钢珠冲击速度达到206m/s 时，平板表面留下直径44.3mm 的孔洞，平板被撕裂完全穿透。

本文针对航空发动机典型压气机材料ZTC4，开展了冲击打靶试验，得到了ZTC4 材料不同冲击速度、冲击角度下的失效模式。可得到如下结论：

（1）钢珠冲击速度较低时，会形成凹坑损伤，垂直冲击时凹坑周围会形成3 条主裂纹产生，主裂纹呈放射状分布，45°斜冲击不会产生明显的裂纹。

（2）当冲击速度达到一定程度时，平板会临界冲击损伤，垂直冲击和45°斜冲击时都有比较大的主裂纹产生，垂直冲击产生4 条呈放射性分布的主裂纹，45°斜冲击产生呈人字形状主裂纹。

（3）当冲击速度很大时，垂直冲击和45°冲击钢珠都会完全穿透平板，垂直冲击时有4～5 条主裂纹，平板破坏模式为冲塞破坏，45°斜冲击时，平板产生椭圆形的孔洞，孔洞周围有小裂纹。

（4）冲击速度越大，平板损伤越严重，随着冲击速度的加大，平板损伤会经历凹坑变形、临界击穿、完全击穿等不同失效模式。垂直冲击时，冲击速度越大，弹坑深度越深，主裂纹数目也越多。

（5）平板完全穿透所需速度垂直冲击比45°斜冲击的小，这是因为垂直冲击几乎所有的能量都能被吸收，而45°斜冲击时只有垂直方向的分量才能被平板吸收。

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