碳纤维复合材料平板高速冲蚀试验研究

王尚

摘   要：航空发动机机匣材料的研究中，耐冲蚀性能是非常重要的，这直接关乎发动机的进气性能、工作的性能以及其服役寿命。随着碳纤维复合材料在航空发动机领域的应用越来越广泛，对其耐冲蚀性能的研究十分不可或缺。本文通过对正交编织碳纤维复合材料平板进行高速冲蚀试验，改变不同试验参数（冲蚀速度、冲蚀角度等）并且与钛合金、铝合金材料的冲蚀情况进行对比，来对其耐冲蚀性能做出较为详细的评价。

关键词：冲蚀试验  耐冲蚀性能  正交编织碳纤维复合材料  高速  对比

中图分类号：TG52                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）06（a）-0106-05

Abstract： In the researches of the materials of aero-engine casings， the erosion characteristics are very important. The erosion characteristics have huge influences on intake performance， work performance and service life of the engines. With the wider applications of carbon fiber reinforced polymer in the aero-engines， the researches for the erosion characteristics of carbon fiber reinforced polymer have great significances. This research had high-speed erosion tests on orthogonal woven carbon fiber reinforced polymer plates， changed different experiment parameters （impact velocity， impact angle， etc.） and made comparisons with titanium alloy as well as aluminum alloy to acquire the erosion characteristics of orthogonal woven carbon fiber reinforced polymer in detail.

Key Words： Erosion test; Erosion characteristics; Orthogonal-woven carbon fiber reinforced polymer; High speed; Comparison

随着航空发动机技术的进步，对航空发动机的耗油率、推重比、噪声、安全以及稳定性能提出了更严格的要求。在航空發动机中，复合材料的应用空间也越来越旷阔。由于碳纤维增强复合材料具有比较高的韧性以及强度，并且随着其价格的不断降低[1]，通用公司和GKN Aerospace公司从20世纪90年代开始共同研发碳纤维编织结构增强树脂基复合材料的风扇机匣。GEnx发动机第一次采用了这种碳纤维复合材料硬壁风扇机匣。此外，CFMI公司研制的LEAP-X 发动机也采用了这种结构的风扇机匣[1]。这种结构的风扇机匣不仅在结构与工艺方面易于制作，而且尺寸精度也很高[2]。

飞机在不同的工况下飞行时，有时工作环境会十分恶劣。在如沙漠地区等含有大量砂砾的环境下工作时，这些砂砾可能会不停地冲击机身表面，还有可能通过进气道进入到发动机中。在这种恶劣的情况下长期工作，很容易发生零部件的冲蚀磨损甚至是损坏，影响飞机的气流轨迹，恶化发动机的进气性能，甚至会造成发动机的损伤，降低其工作性能，致使发动的使用寿命大大减少[3]。因此，对航空发动机机匣材料的研究，其耐冲蚀性能也极其重要，这直接关乎发动机的进气性能、工作的性能以及其服役寿命。所以，随着碳纤维复合材料在直升机粒子分离器以及航空发动机机匣等的应用越来越广泛，对其耐冲蚀性能的研究十分不可或缺。Stachowiak等在其专著中总结出了针对固体粒子以不同冲蚀速度与不同冲蚀角度撞击不同材料时材料所产生的主要失效形式其中包括磨损、疲劳、断裂以及塑性变形等。

在复合材料的冲蚀性能研究方面，国内总体还处于不完全成熟的状态;在国外研究人员有一定的研究成果。G.Drensky等人通过对聚合物基复合材料的冲蚀试验，得到其冲蚀特性，试验结果表明：在控制变量的情况下，冲蚀率随冲蚀角度的变大先变大后变小，约在45°左右冲蚀率达到峰值;冲蚀率随冲蚀固体粒子的直径变大而变大;冲蚀率也随着冲蚀粒子的冲击速度变大而变大;冲蚀率随着冲蚀粒子总质量的变大而变大;冲蚀率随着环境温度的上升而变小;复合材料编织方向为90°迎接冲蚀粒子的时候，冲蚀率会更大，但是比较0°的时候，变化不是很明显，只有少量的增加。国内刘奇等人通过试验以及通过SPH模拟仿真分析，发现在其他条件均完全一致的情况下，被冲蚀的复合材料层合板的质量损失随着冲蚀压力的增大而增大;随着冲蚀粒子总质量的增大而增大;随着冲蚀角度的增大而增大;使用不同种类的冲蚀粒子冲蚀时造成的质量损失不同[4]。但是对于复合材料微观下冲蚀失效的具体情况和宏观的冲蚀形态，以及较高速情况下冲蚀的试验研究都还没有公布于众的十分成熟的研究成果。

2  冲蚀试验结果分析

2.1 冲蚀率

用冲蚀前试样的质量减去冲蚀试验后试件的质量，就可以得到冲蚀试样的冲蚀损失质量。然后，我们可以定义冲蚀率E，其定义每克冲蚀颗粒冲蚀试样后，试样的冲蚀损失质量，其单位为g/g，其计算公式如下[9]：

分别做出试验后三种材料的不同试样的平均冲蚀率条形图，如图4所示。

图中编号1-9、10-21、22-33表示前端冲蚀绝对压力分别为0.19MPa、0.23MPa以及0.3MPa;编号1-3、10-13、22-25表示为碳纤维，编号4-6、14-17、26-29表示为钛合金，编号7-9、18-21、30-33表示为铝合金;编号10、14、18、22、26、30表示冲蚀角度为20°，编号1、4、7、11、15、19、23、27、31表示冲蚀角度为30°，编号2、5、8、12、16、20、24、28、32表示冲蚀角度为60°，编号3、6、9、13、17、21、25、29、33表示冲蚀角度为90°。结果为同一条件下多次试验后选择较好的试验结果的平均值[10]。

从图中可以观察出，当前端的冲蚀压力，即冲蚀速度保持一定时，铝合金与钛合金的冲蚀率随着冲蚀角度的减小而增大。这可能是因为较低冲蚀角度时，粒子对钛合金、铝合金的表面具有较大的冲蚀面积，粒子与材料表面接触面积更大。但是对于碳纤维复合材料，其冲蚀率随着冲蚀角度的增大先变大然后变小，峰值处于30°与90°之间。此外，在相同冲蚀条件下，一般冲蚀角度从90°到60°时冲蚀率变化的绝对值是小于冲蚀角度从60°到30°时的。

从图中还可以得到，这三种材料的冲蚀率都随着冲蚀前端绝对压力的变大而变大。这是因为当冲蚀前端压力变大时，冲蚀粒子速度变大，冲蚀粒子所携带的冲击能量也变大，从而使得材料的质量损失变大，最终使得冲蚀率变大。

同样地，可以从图中比较出：三种材料在相同的冲蚀环境与条件下，碳纤维复合材料冲蚀率最大，TC4钛合金其次，2A12铝合金冲蚀率最小。说明在耐冲蚀性能方面2A12铝合金强于TC4钛合金强于碳纤维复合材料。在我们选定的冲蚀条件下，碳纤维复合材料的冲蚀率数量级普遍在10-4，然而铝合金与钛合金材料的冲蚀率数量级普遍在10-5，即纤维复合材料的沖蚀率在一般情况下比钛合金与铝合金材料高一个数量级。比较钛合金与铝合金，TC4钛合金硬度高于2A12铝合金，其冲蚀率在相同情况下也是TC4钛合金高于2A12的铝合金，这可以作为一个例证。

2.2 宏观冲蚀形态

由图2可以看出，被冲蚀试件的最终冲蚀痕迹随着冲蚀角度的变小，形状也逐渐由近似圆形向近似为椭圆形的图案变化，并且从冲蚀痕迹处可以大致区分出区域分别为边缘非核心冲蚀区域与中心的核心冲蚀区域。其核心冲蚀区域可能是因为粒子密集的冲击所导致的表面完全脱落。对于碳纤维复合材料，可以看出区域中每层的编织结构已经被明显破坏，有的甚至可以看到其层合板一层一层的分层，表示其铺层设计也被破坏。

对于其冲蚀痕迹的总面积，可以得出：对同一材料，在冲蚀绝对压力相同的情况下，冲蚀角度为20°、30°时的冲蚀痕迹总面积总是大于冲蚀角度为60°、90°时的，并且在本次试验中，冲蚀角度为30°时所显示的总冲蚀痕迹面积为最大，大致可以认为冲蚀痕迹总面积随冲蚀角度的变大先变大后变小。对同一材料，同冲蚀角度下，冲蚀绝对压力的变化对冲蚀痕迹总面积的影响较小，但是冲蚀率有着明显的变化，这可能是主要由于其冲蚀深度的变化所体现的。对不同材料，在同冲蚀绝对压力与冲蚀角度的情况下，其冲蚀痕迹的总面积也没有明显变化。这可能是由于冲蚀痕迹的总面积最主要的影响因素是试验台的设计参数，既然试验台是完全相同的，所以上述冲蚀痕迹的总面积也是几乎不变的。

对于其冲蚀总区域的最大长度与宽度，可以发现：对同一材料，在冲蚀绝对压力相同的情况下，随着冲蚀角度的变小，其冲蚀最大宽度也渐渐变小，其中在30°到20°变小的改变量较大;对于其最大冲蚀长度，则是随着冲蚀角度的变小而渐渐变大。对同一材料，在冲蚀角度一样的情况下，冲蚀绝对压力的变化对其冲蚀总区域的最大长度与宽度都几乎没有影响。不同材料在同一冲蚀绝对压力和冲蚀角度的情况下，其冲蚀总区域的最大长度与宽度都几乎没有区别，可能是因为这也是由试验台的设计参数所决定的。

对于其冲蚀区域的最大深度，可以发现：对三种材料的试样，各自在冲蚀绝对压力相同的情况下，冲蚀角度为20°、30°的冲蚀最大深度总是小于冲蚀角度为60°、90°时的，这是由于虽然低冲蚀角度冲蚀率较大，但是低冲蚀角度时冲蚀面积更大，并且冲蚀角度为20°时的冲蚀最大深度大于冲蚀角度30°时的冲蚀最大深度。对同一材料，同冲蚀角度的情况下，随着冲蚀绝对压力的变大，其最大冲蚀深度也会变大。对同冲蚀绝对压力和同冲蚀角度的情况下，碳纤维复合材料的冲蚀最大深度大于TC4钛合金的冲蚀最大深度大于2A12铝合金的最大冲蚀深度，这也是主要由于碳纤维复合材料在相同情况下冲蚀率更大的原因。

如图6所示是对碳纤维复合材料在低冲蚀绝对压力的情况下（0.19MPa），用10倍显微镜拍摄的其单层中编织结构的失效情况（冲蚀角度分别为90°、60°以及30°）。

从图可以看出，在低冲蚀绝对压力的情况下，冲蚀角度为90°和60°的核心冲蚀区域的中心，其单层的编织结构完全被破坏，其大部分编织的结点都已完全消失，偶尔还有一些编织的结点突出。在冲蚀角度为90°和60°的非核心冲蚀区域，也能看出其编织结构被破坏，不过此时要优于核心冲蚀区域，偶尔可以看到残缺的连接结点的梁结构的存在。对于冲蚀角度为30°时，由于此时冲蚀率较小，所以此时单层的编织结构保留情况要优于冲蚀角度在60°以及90°时，但是同样可以看到核心冲蚀区域的单层编织结构被破坏以及所导致的突出的块状部分。

2.3 碳纤维微观冲蚀形态

如图7是对冲蚀试验后的碳纤维复合材料中典型试样的核心冲蚀区域进行电镜扫描后所得到的结果。

從电镜扫描结果可以看出，每种情况下，都会有残破的白刚玉粒子嵌在冲蚀后的试件上，如图中部分白色的颗粒。而且可以观察到，随着冲蚀角度的增大，会有更多的破碎的白刚玉粒子嵌在试样上。由于本次试验选择的碳纤维复合材料板是正交编织的，我们用试样夹具夹紧时都严格按照顺着碳纤维编织的一个方向或者是以另一个正交编织的方向成90°的情况来冲蚀。所以可以从上图中看出对结果一定的影响。从高冲蚀绝对压力的结果看，由于冲蚀粒子速度较快，碳纤维复合材料板已被冲穿。当冲蚀角度较大时，观察到碳纤维复合材料的试样已经出现了明显的分层。对冲蚀角度为90°时，在最靠近冲穿区域的第一层内，碳纤维几乎全部断裂，其结构也全部被破坏，看不出碳纤维编织时的方向性;在距离冲穿区域稍远的第二层，可以大致看出碳纤维的方向性，但是其边缘部分几乎都为白色区域，也嵌入大量破碎的白刚玉粒子，碳纤维几乎全部断裂;在距离核心冲蚀区域最远的第三层，其方向性保存较好，虽然也有断裂的碳纤维以及嵌入的破碎的白刚玉粒子，但是可以看出与第二层正交的方向性。对冲蚀角度为60°时，可以看出电镜扫描结果中白色的区域明显减少，其核心冲蚀区域中心的第一层碳纤维断裂严重，相比较90°时第一层结构破坏相差无几，看不出其方向性;但是对第二层，其碳纤维的断裂情况明显比90°时严重，大部分碳纤维断裂，而且几乎看不出其编织的方向性。总而言之，在较高冲蚀绝对压力的情况下，60°冲蚀角度碳纤维断裂情况比冲蚀角度为90°时更加严重。

在冲蚀压力为中等压力时，可以发现大冲蚀角度下破碎的白刚玉粒子嵌入试样更多。在冲蚀角度较小时，可以观察到断裂的部分不是很多，而且断裂的形式也是比较一致的，白色区域的面积占比也不是很大;随着冲蚀角度从20°到30°的变大，断裂的碳纤维部分逐渐变多，断裂情况也更加严重。由于试样夹具夹紧时都严格按照顺着碳纤维编织方向，所以在这两个冲蚀角度下，可以看出电镜扫描结果中碳纤维方向的同一性，而且对其方向性的保留也是较完好的。在冲蚀角度偏大的情况下，可以看出其中断裂的区域明显变多，断裂情况也明显严重，也有更多的破损的白刚玉粒子嵌到试样的表面，但是从大体上来看，还是能看出其方向性，从60°与90°冲蚀角度的电镜扫描结果，可以看出其正交的编织方向，说明其对方向性也有一定的保留。而且可以看出，对于正交碳纤维编织的两个方向，其中顺着冲蚀方向编织的碳纤维断裂情况较好一些，白色区域面积占比也小，但是对与冲蚀方向成90°编织的碳纤维，其断裂情况就较为严重，白色区域面积占比也明显地增多。

3  结语

（1）建立了冲蚀试验台，完成对正交编织碳纤维复合材料平板较高速冲蚀试验以及对比。

（2）当冲蚀压力即冲蚀速度保持一定时，对于碳纤维复合材料冲蚀率随冲蚀角度的增大先变大然后变小，峰值处于30°与90°之间。当冲蚀角度一定时冲蚀率随冲蚀前端绝对压力的变大而变大。试验中相同情况下碳纤维复合材料的冲蚀率一般比钛合金与铝合金材料高一个数量级。

（3）对于正交碳纤维编织的两个方向，其中顺着冲蚀方向的碳纤维断裂情况较好，但是对于与冲蚀方向成90°的碳纤维，其断裂情况较为严重。

参考文献

[1] 徐明.层合复合材料风扇机匣与叶片连接结构强度分析方法研究[D].南京航空航天大学， 2014.

[2] 沈尔明，王志宏，赵凤飞，等.风扇机匣材料应用现状与发展[J].航空制造技术，2013，433（13）： 92-95.

[3] 何光宇，李应红，柴艳，等.航空发动机压气机叶片砂尘冲蚀防护涂层关键问题综述[J].航空学报，2015， 36（6）：1733-1743.

[4] 刘奇.复合材料叶片抗冲蚀性能研究及SPH仿真分析[D].南京航空航天大学， 2013.

[5] 章磊，毛志远，黄兰珍.钢的冲蚀磨损与机械性能的关系及其磨损机理的研究[J].浙江大学学报：自然科学版， 1991，25（2）：188-194.

[6] 郭宝会.不同攻角状态下TC4合金的固体粒子冲蚀行为研究[J].科学技术与工程，2015，15（6）：150-153.

[7] 吴鲜花.钛合金微纳米结构疏水表面冲蚀机理研究[D]. 上海交通大学， 2017.

[8] 代礼葵.环境因素下玻纤增强树脂基复合材料冲蚀损伤行为[D].新疆大学， 2019.

[9] 万伟.SiC泡沬陶瓷/球墨铸铁双连续相复合材料的耐冲蚀性能研究[D].中国科学技术大学，2019.

[10]郭等锋.纳米二氧化硅/聚氨酯协同改性环氧树脂冲蚀磨损性能研究[D].兰州交通大学，2018.