不规则颗粒形状与表面变形对颗粒反弹的影响研究：几何特征表征与塑性变形机制

针对航空发动机因吸入矿物颗粒导致的侵蚀问题，美国弗吉尼亚理工大学团队通过自由喷射实验（60 m/s和120 m/s速度，30°和90°撞击角）结合CT扫描技术，提出基于局部几何特征参数β的颗粒统一表征方法，揭示靶材压缩屈服强度与弹坑体积的负相关性，为颗粒反弹模型（COR）验证提供关键数据。成果发表于《Powder Technology》，对发动机耐久性测试具有重要指导意义。

　　

航空发动机长期面临大气颗粒侵蚀的严峻挑战，矿物颗粒（如石英）的不规则形态和复杂动力学行为使得侵蚀机制难以精确模拟。尽管学界已采用简化几何模型（如球体或椭球体）和系数恢复（Coefficient of Restitution, COR）理论预测颗粒反弹，但实际颗粒的锯齿状局部特征与靶材塑性变形的相互作用仍缺乏系统性研究。这一空白严重制约了发动机耐久性测试的准确性。

为解决该问题，弗吉尼亚理工大学联合罗尔斯·罗伊斯公司的研究团队在《Powder Technology》发表论文，通过创新性实验与分析方法，建立了颗粒几何特征与靶材变形的定量关联。研究采用高分辨率CT扫描（2 μm/像素）对339颗MIL-E-5007C标准石英颗粒进行三维重构，提出基于接触角参数β的几何表征体系。通过自由喷射装置（60 m/s和120 m/s速度，30°和90°撞击角）对5种合金靶材进行撞击实验，结合表面形貌分析，首次揭示了压缩屈服强度与弹坑体积的负相关性。

关键技术包括：1）X射线显微CT（Zeiss Xradia 620 Versa）实现颗粒局部几何量化；2）Materialise Mimics软件处理三维形态数据；3）可控参数自由喷射实验平台精确模拟撞击条件；4）塑性变形形貌的半定量测量方法。

颗粒形状测量
通过CT扫描发现，C-SPEC石英颗粒可分为片状、长方体、椭球体和半椭球体四类，其球形度（sphericity）差异显著（图6）。研究提出参数β（接触角特征）能有效统一描述不同几何形态对撞击动力学的影响。

塑性变形机制
实验数据显示，弹坑体积与靶材压缩屈服强度呈负相关。例如，低强度合金在120 m/s垂直撞击下弹坑体积比高强度材料大40%。撞击角度30°时，剪切效应导致弹坑形态呈现明显不对称性。

结论与意义
该研究突破性地将复杂颗粒几何简化为单一参数β，为计算模型提供了可量化输入。发现靶材力学性能对塑性变形的决定性影响，填补了多参数耦合作用机制的认知空白。成果直接应用于配套研究（Part II）的COR模型开发，为航空发动机抗侵蚀设计提供理论依据。

作者贡献
Alix M. Ehlers和Brandon J. Weindorf主导实验与数据分析；K. Todd Lowe和Wing Ng负责理论建模；Rolls-Royce公司提供经费支持。研究依托弗吉尼亚理工大学的材料表征平台，凸显产学研合作价值。