干货丨航材院：航空发动机“积木式”评价方法

当前，新一代航空发动机对于机匣材料的性能要求更高，更复杂。为满足航空发动机机匣使用需求，我们不断研究开发新材料，不仅要研究新材料的性能与成分、组织的关系，还需要通过各种测试技术对材料的使用性能进行评价。实际上，对材料组织从宏观到微观不同层次的表征技术构成了材料科学与工程的一个重要组成部分，材料应用评价技术就像一座桥梁，连接了材料设计与制造工艺，直到获得具有满意使用性能的新材料。如图2所示，可以清楚地看到材料应用评价技术在新材料的研究、开发和发展中所起到的作用。作为材料应用评价的核心技术，我们设计了具有不同结构评价考核特征的元件和模拟件，通过对这些元件、模拟件进行疲劳性能测试分析，获得材料在不用结构件以及服役条件下的应用性能，从而在材料与结构设计之间搭建桥梁，大幅度提升材料从性能考核、工艺考核、功能考核、模拟环境考核甚至是真实环境考核验证的应用成熟度。这就像裁缝给我们量身定做衣服一样，首先需要根据我们设计的衣服款式和使用需求合理选材，比如是做运动衣，还是工作服，西装等，选出材料后还要评估材料对于这个衣服款式的适用性，然后综合考虑布料的材质和衣服的款式做出让我们最满意的衣服。机匣材料评价也是一样，通过机匣材料应用评价，增加材料的使用说明书，从而使得选定材料适用于机匣结构的每一个细节设计，既达到机匣使用需求又经济实惠。

                                 

小时候，我们很喜欢搭积木，一层一层搭起各种形状。你们知道吗，“搭积木”的思想方法还可以用于机匣材料的应用评价。最早在国军标《军用飞机强度和刚度规范-复合材料结构》中，明确提出过“积木式”实验的概念，主要是针对飞机设计中的复合材料结构强度验证，通过采用全尺寸结构与由试样、元件（包括典型结构）、组合件组成的多层次“积木式”设计验证实验相结合的方法来完成。实际上，不论是复合结构材料还是金属结构材料，为有效提高材料的应用成熟度，都需要在材料研制中遵循“积木式”设计验证思想开展精细化研究，如图3所示。

图3  “积木式”设计验证思想

根据“搭积木”式的评价思想，仅仅采用传统的标准试样级实验已不能充分反映材料的本质属性，这将给机匣结构件设计带来很大困难和风险。当前，国内对新型航空发动机机匣材料的研究主要集中在材料制备、典型件研制和标准试样力学性能测试等方面，针对元件模似件服役行为的研究几乎空白。而材料元件、模拟件设计与测试技术是“积木式”设计验证思想中至关重要的基础一环，只有通过材料元件、模拟件级的设计与测试，才可以开展考虑材料及结构的复杂载荷条件下的服役性能及组织演化研究，并将材料特性、加工工艺与实际服役环境建立多层级关联。为充分评价材料在实际服役环境下的应用性能，在元件、模拟件设计中采取应力相似、几何相似、材料状态与本征性能相似、加工工艺及表面状态相似等基本原则，研究材料的细节结构特征、制备工艺、应力状态、缺陷、服役环境等复杂因素对材料服役性能的影响规律，从而增加数据阶梯，为实际航空发动机机匣件选材及结构设计优化提供更为可靠的材料数据。