连续碳化硅纤维增强Ti2AlNb基复合材料整体叶环的结构设计与性能分析

《Journal of Materials Research and Technology》：Structural design and performance analysis of SiC f/Ti 2AlNb composite bling

　　

面向极端服役条件下旋转部件对高强度与轻量化材料的迫切需求，连续碳化硅纤维增强Ti2AlNb基复合材料（SiCf/Ti2AlNb）因低密度、高比强度及优异抗疲劳性能成为极具潜力的候选材料。然而，受该复合材料各向异性与非均匀特性影响，整体叶环（bling）在叶片根部过渡区及环向连接处易产生复杂应力分布与严重应力集中，制约其结构设计。研究人员提出一种新型结构：以复合材料支承环与金属叶片（aerofoils）集成，实现轻量化与承载协同提升。基于SiCf/Ti2AlNb各向异性本构行为建立有限元模型，分析复合材料增强环宽度、叶环内径及过渡倒角半径等关键几何参数对结构性能的影响，并研究旋转载荷下损伤过程以揭示失效机制。结果表明：增大复合环宽度可通过扩大承载面积有效降低叶环峰值应力；增大内径与减小倒角半径可降低金属叶片峰值应力；在局部优化且复合材料强度由1800 MPa提升至2000 MPa条件下，相较Ti2AlNb合金叶环减重17.6%，损伤始于122%设计转速下的内径叶间纤维。该工作为先进航空发动机高性能轻量化复合叶环开发提供设计基础。

研究背景方面，航空航天领域对高强度轻量化材料需求持续增长，传统金属与合金难以应对复杂服役挑战。连续碳化硅纤维增强钛基复合材料（SiC_f/Ti）具备低密度、高比强度与抗疲劳优势，适用于航空发动机离心与热载荷旋转件；但常规钛基在600℃以上强度与蠕变抗力显著下降。Ti₂AlNb基合金具更高比强度、抗蠕变与抗氧化性，作为高温基体更具潜力。将连续SiC纤维引入Ti₂AlNb基体可提升比刚度与承载性。然而，纤维增强复合材料的各向异性和非均匀性使整体叶环（bling，整体叶片-轮盘一体化结构）设计困难，叶片根部、环接与几何不连续处易出现复杂应力与集中，全尺寸实验成本高、周期长，传统解析模型难处理复杂结构与载荷，因此需借助有限元分析（FEA）开展参数化设计与优化。

研究人员提出一种新型轻量高强叶环结构，采用连续SiC纤维增强Ti₂AlNb复合材料（SiC_f/Ti₂AlNb）环作为主承力件，与金属叶片（aerofoils）集成，通过迭代设计与多目标优化框架获得协同轻量化与高承载构型。基于材料各向异性本构建立有限元模型，系统考察复合环宽度、叶环内径、过渡倒角半径对峰值应力与质量的影响，并对最优构型进行超转速损伤演化分析，明确失效起始转速、位置与顺序。结论表明：复合环是离心载荷主承力件；参数优化后结合局部减材与材料强度提升，实现相对于Ti₂AlNb合金叶环17.6%减重；损伤始于122%设计转速内径叶间纤维，依次纤维失效、基体开裂、金属包覆层塑性变形至整体失载。该研宄为航空发动机复合叶环设计、制造与优化提供理论依据。

关键技术方法方面，研究人员以中科院金属所化学气相沉积SiC纤维（钨芯、SiC沉积层与碳层，直径100μm）经磁控溅射制先驱丝、热等静压成型SiC_f/Ti₂AlNb（纤维体积分数50%）为样本来源；采用正交各向异性线弹性本构与Linde等基于应变的连续损伤模型，通过用户子程序UMAT实现损伤失效；以循环对称子结构有限元模型在21800 rpm额定转速下施加离心载荷，选取复合环宽度、内径、倒角半径为设计变量，以峰值应力为约束、以质量最小为目标进行参数分析与局部区域优化。

研究结果部分，材料与方法中给出SiC_f/Ti₂AlNb工程常数（E₁=220 GPa，E₂=E₃=110 GPa等）及各向异性本构与失效准则，建立额定转速21800 rpm、循环对称的有限元模型，定义设计变量与“峰值应力低于强度/1.22超转系数”约束。

有限元结果分析中，复合环布置方式影响显示：竖向布置较横向布置峰值应力更低（1190.6 MPa对1436.6 MPa），因径向承载截面更大。复合环宽度影响表明：宽度由5 mm增至9 mm，整体峰值应力由1286 MPa降至1119.5 MPa，金属叶片应力略升但仍低于屈服；应力沿内径向外径单调下降，复合环为主承力。

叶环内径影响表明：内径增大（R、R+15、R+30 mm）使整体与复合环应力上升（至1388.0 MPa），金属叶片应力下降（至792.8 MPa），因外经固定时承载截面缩小。

倒角影响表明：倒角由30 mm减至10 mm，整体峰值应力由1190.6 MPa升至1239.5 MPa，但金属叶片应力降低且结构更轻；综合取宽7 mm、内径R、倒角10 mm为最轻构型（4.64 kg）。

局部优化中，对区域Ⅰ减材后质量降至4.24 kg；将复合材强度由1800 MPa提至2000 MPa后对区域Ⅱ再优化，得Model-3质量4.12 kg，较5 kg Ti₂AlNb合金叶环减重17.6%，峰值应力仍低于阈值。

旋转载荷损伤分析显示：100%转速无损伤，复合芯环向应力S₁₁主导；122%转速内径叶间纤维启裂，135.1%环向损伤因子达1，135.6%基体与纤维协同失效，136%复合芯近全损，载荷重分配致金属包覆层塑性变形与延性断裂。

讨论与结论翻译如下：本研究建立SiC_f/Ti₂AlNb叶环设计方法，将几何变量与损伤演化关联。基于各向异性本构有限元分析关键几何参数对应力与质量影响，并分析超转失效过程。（1）复合环为主承力件，增宽降应力，金属叶片全程线弹性安全；（2）内径增大显著降低金属叶片峰值应力；（3）小倒角平滑传力并进一步减重，优化后减重17.6%；（4）复合环先于金属叶片失效，起于内径叶间纤维径向扩展，继而导致邻近基体塑性变形与整体失载。该框架为先进航空发动机复合叶环设计制造优化奠定基础，后续需离心-热联合加载全尺寸验证。

Lipan Yao、Yanrong Wang、Huiping Pei、Peng Zhu、Jiachen Jiang、Qiuyue Jia、Yumin Wang 的工作通过“材料-结构-损伤”一体化思路，为高温轻量旋转构件提供了可落地的仿真设计范式。