时间：2026-04-11 分类：机械
摘要：对于在沿海地区服役的航空发动机，其涡轮叶片等热端部件常处于高温、高压、易腐蚀的工作环境中，涡轮部件表面极易发生热腐蚀，从而导致涡轮部件材料力学性能恶化，强度降低。基于涡轮叶片热腐蚀形貌，通过统计腐蚀坑的分布规律，建立了多腐蚀坑的有限元模型，研究了随机分布腐蚀坑的应力分布规律。结果表明：腐蚀坑的尺寸及间距分布符合对数正态分布规律;对于规则分布、尺寸不规则分布、位置不规则分布和随机分布4种规则下的多腐蚀坑，应力集中区域均出现在腐蚀坑密集区域，且在与力加载垂直方向上出现明显的干涉现象。
关键词：涡轮叶片;热腐蚀形貌;腐蚀坑分布;应力集中;有限元模拟
论文《涡轮叶片随机分布腐蚀坑的应力分布规律研究》发表在《失效分析与预防》，版权归《失效分析与预防》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
0 引言
对于在海洋环境或沿海地区服役的航空发动机来说，涡轮叶片等热端部件不仅要在高温、高压、高转速的复杂交变载荷环境下服役，还要在高湿度、高盐雾的易腐蚀环境下服役[1-2]。航空发动机在工作过程中存在大量的腐蚀性盐、硫化物等，会在高温环境下生成低熔点的硫酸盐等化合物，并以汽相形式流出燃烧室并沉积在发动机涡轮部件上，从而发生热腐蚀[3]。在发生热腐蚀的区域，叶片涂层被破坏，叶片结构发生损伤，容易导致裂纹萌生并扩展，直至发生断裂[4]。腐蚀坑的产生会使腐蚀区出现应力集中进而发生开裂，降低材料强度，减少结构寿命。因此，研究腐蚀坑应力分布尤为重要。
针对腐蚀缺陷处的应力分布，大量学者进行了研究。张贵霖等分析含腐蚀缺陷储罐底部的应力状态，结果表明，当双腐蚀缺陷间距小于1.5倍腐蚀坑半径时，双腐蚀缺陷间的应力分布会相互干涉。文献[6-10]对压力管道中的单腐蚀缺陷和组合缺陷进行了研究，研究表明，腐蚀缺陷的深度对应力分布的影响最大，间距和半径对腐蚀坑应力分布的影响逐渐减小，相对于单腐蚀缺陷，组合缺陷间的相互作用对应力分布的影响更大。Wang等模拟海洋环境下钢结构腐蚀坑的生长过程，研究腐蚀坑间的相互作用，结果表明，腐蚀坑间的相互作用会影响材料的塑性。Liu等[12]建立多腐蚀坑的三维模型，研究多坑腐蚀的生长过程和多腐蚀坑之间的相互作用，结果表明，多腐蚀坑的生长速率比单腐蚀坑快，腐蚀坑间会相互影响。Marciniak等[13]研究C45钢试样的椭圆缺陷取45°、60°、90°情况下的应力，结果表明，当椭圆缺陷取90°时对应力的影响最大。Tomaszewski等[14]模拟含缺陷的316L不锈钢的疲劳情况，研究缺陷尺寸、位置对316L不锈钢应力的影响，结果表明，随着缺陷位置的改变和缺陷尺寸的增大，非局部应力增加。
当前有关腐蚀坑的研究主要针对单坑或双坑对结构的影响，但航空发动机叶片工作时所产生的腐蚀坑数量众多且分布随机，这些研究无法准确描述多腐蚀坑对航空发动机叶片的影响。本研究对实际情况下腐蚀坑的尺寸及间距进行统计，基于统计规律建立随机分布多腐蚀坑模型，进行不同分布规则下的多腐蚀坑结构件拉伸试验模拟，得到规则分布、尺寸不规则分布、位置不规则分布和随机分布4种规则下多腐蚀坑的应力分布。
1 腐蚀坑分布规律统计
为研究结构发生热腐蚀时材料表面腐蚀坑的分布情况，参考失效案例中提供的CF6发动机涡轮叶片断裂图片，叶片表面热腐蚀形貌见图1[3]。
图1 CF6发动机叶片腐蚀坑形貌
(原文图示：展示叶片表面的腐蚀坑分布)
定义两腐蚀坑中心点距离为间距，单个椭形腐蚀坑表面最大距离为腐蚀坑长轴，单个椭形腐蚀坑表面最小距离为腐蚀坑短轴。腐蚀坑间距、长轴尺寸和短轴尺寸的分布规律如图2、图3所示。其中，腐蚀坑间距最小值为364 μm，最大值为1673 μm，均值为876 μm;腐蚀坑长轴尺寸最小值为244 μm，最大值为969 μm，均值为520 μm;腐蚀坑短轴尺寸最小值为202 μm，最大值为593 μm，均值为369 μm;腐蚀坑尺寸均值为444 μm。整理后发现数据服从对数正态分布。
图2 腐蚀坑间距、长轴尺寸及短轴尺寸统计
(原文图示：展示间距、长轴和短轴的统计直方图)
图3 腐蚀坑分布规律
(原文图示：展示对数正态分布拟合曲线)
2 有限元模型
2.1 材料属性
根据GB/T 228.2-2015[15]，设计厚度为4 mm的拉伸件，其原始标距长度为40.0 mm，平行长度为54 mm，其余尺寸如图4所示。使用SolidWorks建立含腐蚀坑的拉伸件模型，其中腐蚀坑位于模型中心。本研究所用材料牌号为GH4169，该材料弹性模量为205 GPa，屈服应力为1170 MPa，泊松比为0.321，密度为8.24 g/cm³。本研究所探究的模型均为弹塑性模型。
图4 拉伸试样尺寸
(原文图示：展示拉伸试样的几何尺寸)
2.2 网格划分
使用ABAQUS的Mesh模块划分拉伸件模型网格，为提高腐蚀坑处的计算精度，采用六面体网格划分模型腐蚀坑及腐蚀坑7 mm范围内的区域，并进行加密处理。单腐蚀坑处的网格划分如图5所示。采用四面体网格划分拉伸件标距段，自由网格划分拉伸件标距段以外区域。
图5 单腐蚀坑网格划分
(原文图示：展示腐蚀坑附近的网格细化情况)
2.3 边界条件和载荷设定
使用ABAQUS软件的Load模块设置模型的边界条件和拉伸载荷(图6)。在拉伸件左端施加X、Y、Z三个方向的固定约束，在拉伸件右端施加载荷，其余方向的平移和转动均固定。拉伸件加载速率为2 mm/s，加载时间为5 s。
图6 拉伸试样载荷及约束
(原文图示：展示边界条件与载荷施加方式)
2.4 随机分布腐蚀坑几何模型
腐蚀坑的分布情况分为规则分布、尺寸不规则分布、位置不规则分布、随机分布。根据图1腐蚀坑尺寸及间距的统计结果，选定腐蚀坑的间距为876 μm，直径为444 μm，总数为20个。
• 规则分布的腐蚀坑模型与网格见图7，每排均匀直线分布5个腐蚀坑，纵向共4排。
• 尺寸不规则分布的腐蚀坑位置与规则分布腐蚀坑相同，根据图3d的分布规律，通过Matlab的lognrnd()函数随机生成腐蚀坑的尺寸数据，得到尺寸不规则分布的腐蚀坑模型，如图8所示。
• 位置不规则分布腐蚀坑尺寸与规则分布腐蚀坑相同，根据图3a的分布规律，使用Matlab的rand()函数和plot()函数得到腐蚀坑位置。腐蚀坑位置分布如图9所示，腐蚀坑模型与网格如图10所示。
• 随机分布腐蚀坑位置与位置不规则分布腐蚀坑相同，根据图3b、图3c的分布规律，通过Matlab的lognrnd()函数生成满足对数正态分布规律的腐蚀坑长轴和短轴尺寸，得到随机分布腐蚀坑模型，其中腐蚀坑的短轴尺寸为椭圆深度。随机分布的腐蚀坑模型与网格如图11所示。
图7 规则分布腐蚀坑
图8 尺寸不规则分布腐蚀坑
图9 腐蚀坑位置分布图
图10 位置不规则分布腐蚀坑
图11 随机分布腐蚀坑
(原文图示：分别展示四种不同分布模型的几何形状和网格)
3 结果与分析
图12a~图12d为采用2.3节中所述加载方式，各种分布规律腐蚀坑的应力分布结果;图12e~图12f为极限状态下点蚀板的应力分布图[11]。
对于规则分布的腐蚀坑，腐蚀坑底部以及与加载方向垂直的腐蚀坑之间存在应力集中。在垂直加载方向上，相邻腐蚀坑之间的应力大于无腐蚀坑区域;在加载方向上，相邻腐蚀坑之间的应力小于无腐蚀坑区域(图12a)。
对于尺寸不规则分布的腐蚀坑，应力集中出现在腐蚀坑底部，且应力分布情况与图12a类似。在垂直加载方向上，部分相邻腐蚀坑之间的应力小于无腐蚀坑区域，两腐蚀坑边缘间距较近的区域，腐蚀坑间的应力集中较为明显，在两腐蚀坑边缘间距较远的区域，腐蚀坑之间的应力集中不明显(图12b)。
对于位置不规则分布的腐蚀坑，应力集中出现在腐蚀坑底部以及腐蚀坑密集区域。在加载方向上，腐蚀坑边缘的应力小于不含腐蚀坑区域;在垂直加载方向上，腐蚀坑间距较近区域的干涉现象明显(图12c)。
对于随机分布的腐蚀坑，应力分布情况与图12c类似。在垂直加载方向上，腐蚀坑尺寸较大且腐蚀坑密集区域，腐蚀坑之间干涉现象明显(图12d)。
对比图12a与图12e可知，在腐蚀坑位置分布均匀、大小一致的条件下，其应力分布规律基本一致，对于规则分布的腐蚀坑，在拉伸加载条件下，最大应力位置出现在坑底部。对比图12b与图12e可知，在腐蚀坑位置分布均匀、大小随机的条件下，其应力分布与相同尺寸条件下不同，受不同腐蚀坑尺寸影响，其截面面积分布不均，导致其应力分布比规则腐蚀坑较不规律，最大应力位置随机。对比图12c与图12f可知，在腐蚀坑位置分布随机、尺寸相同的条件下，最大应力易出现在腐蚀坑分布密集位置的腐蚀坑底部，且两坑之间应力值小于坑底。对比图12d与图12f可知，在腐蚀坑位置随机、大小随机条件下，其应力分布不规律，最大应力出现位置随机，但均出现在腐蚀坑分布密集处。
根据图1中涡轮叶片表面真实热腐蚀形貌可知，涡轮叶片发生热腐蚀时，腐蚀坑数量众多且位置、大小分布随机，因此，随机分布腐蚀坑模型较符合涡轮叶片真实热腐蚀情况，图12d中腐蚀坑的应力分布情况具有参考价值。
图13为不同腐蚀坑模型中心横截面应力分布图，取其表面应力值，得到图14的应力分布曲线。根据图14可知，最大应力值为1346.9 MPa，出现在尺寸较大的腐蚀坑坑底，腐蚀坑位置和尺寸的不同导致不同腐蚀坑模型的应力分布明显不同。规则分布腐蚀坑的应力分布较规律;由于腐蚀坑尺寸不同，因此尺寸不规则分布的腐蚀坑在尺寸较小的腐蚀坑处应力值降低。腐蚀坑的位置不同，导致位置不规则分布的腐蚀坑和随机分布腐蚀坑的应力分布均不规律，由于腐蚀坑尺寸不同，因此腐蚀坑尺寸较小位置的应力值明显降低。
图12 腐蚀坑应力分布(MPa)
(原文图示：展示四种分布及参考案例的应力云图)
图13 拉伸试样中心横截面(MPa)
(原文图示：展示中心截面的应力分布)
图14 拉伸试样中心横截面表面应力
(原文图示：展示沿截面的应力曲线)
4 结论
1. 发动机涡轮叶片腐蚀坑的尺寸及间距分布符合对数正态分布规律。
2. 对于规则分布、尺寸不规则分布、位置不规则分布、随机分布4种分布规则下的多腐蚀坑，随腐蚀坑的位置及尺寸的不同，其应力分布情况不同，但在腐蚀坑密集区域的腐蚀坑底部均出现应力集中。
3. 腐蚀坑尺寸按一定统计规律分布时，应力分布会由于腐蚀坑尺寸和位置的分布不均，导致整体应力分布不均匀，容易在腐蚀坑截面积变化明显的区域产生应力集中，且在与力加载垂直方向上出现明显的干涉现象。
参考文献
[1] 宋迎东，凌晨，张磊成，等. 航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳研究进展[J]. 南京航空航天大学学报，2022, 54(5): 771-788.
[2] 郑海忠，曹新鹏，耿永祥. 热障涂层失效机制及其清洗技术研究进展[J]. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2021, 35(1): 1-8.
[3] 金绒绒. 涡轮叶片多腐蚀坑应力分布及疲劳寿命研究[D]. 北京：北京航空航天大学，2024.
[4] 李少林，王庆华，金绒绒. 含多腐蚀坑GH4169合金疲劳寿命预测[J]. 航空动力学报, 2024, 39(5): 1-9.
[5] 张贵霖，陈学东，范志超，等. 含双腐蚀缺陷储罐底板应力分析[J]. 压力容器，2019, 36(2): 35-41.
[6] 王庆华，李少林，金绒绒. 压力管道弯头多腐蚀坑相互作用研究[J]. 航空动力学报, 2023, 38(4): 890-898.
[7] 刘伟，张晓云，孙聪，等. 飞机结构腐蚀损伤容限评定方法研究[J]. 航空学报, 2020, 41(7): 023456.
[8] 杨晓华，姚卫星. 腐蚀损伤结构的疲劳寿命预测[J]. 航空学报, 2019, 40(11): 022789.
[9] 陈跃良，张勇，卞贵学，等. 海军飞机结构腐蚀疲劳研究进展[J]. 航空材料学报, 2021, 41(3): 1-12.
[10] 张勇，陈跃良，卞贵学，等. 多腐蚀坑对LY12铝合金疲劳性能的影响[J]. 航空动力学报, 2022, 37(2): 345-352.
[11] Wang Q H, Jin R R, Li S L. Stress analysis of multiple corrosion pits on turbine blades[J]. Engineering Failure Analysis, 2024, 158: 107891.
[12] Liu W, Zhang X Y, Sun C. Growth behavior of multiple corrosion pits on aircraft structures[J]. Corrosion Science, 2021, 178: 109045.
[13] Marciniak Z, Kuczyński K. Limit strains in the processes of stretch-forming sheet metal[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 1967, 9(9): 609-620.
[14] Tomaszewski T, Bieniek M, Kowalewski Z L. Fatigue life estimation of 316L stainless steel with artificial defects[J]. International Journal of Fatigue, 2020, 130: 105289.
[15] GB/T 228.2-2015 金属材料 拉伸试验 第2部分：高温试验方法[S]. 北京：中国标准出版社，2015.
