GCr15彈丸沖擊不同厚度GH4169板的變形與破壞模式試驗(yàn)研究

譚學(xué)明， 郭偉國(guó)， 林 棟， 郭小軍， 孟衛(wèi)華

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院 飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)與強(qiáng)度技術(shù)重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 西安 710072;2. 中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所, 湖南 株洲 412002)

GH4169鎳基高溫合金是一種鐵-鎳鉻基的變形高溫合金，由于該合金具有強(qiáng)度高，抗氧化、熱加工性能好的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)中的機(jī)匣、葉片等部件[1-3]。因而其成為了航空航天應(yīng)用的關(guān)鍵材料[4]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣是發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)事故時(shí)保證飛行器安全的一道重要保護(hù)屏障。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子(葉片、輪盤(pán))以非常高(近10 000 r/min),葉尖轉(zhuǎn)速超音速(340 m/s)的情況轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。葉片等零件在工作中發(fā)生意外脫落或破壞時(shí)，受巨大離心力的作用，將以巨大的動(dòng)能撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)中的機(jī)匣結(jié)構(gòu)。若一定厚度的機(jī)匣不能包容脫落的葉片碎片，則碎片飛出后可能會(huì)擊中飛機(jī)的油管、油箱、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件或飛行員，造成災(zāi)難性的后果。1987年5月9號(hào)，一架伊爾-62發(fā)生的低壓渦輪破裂的轉(zhuǎn)子突然擊穿機(jī)匣，造成了183人死亡的慘重的空難事故[5]。然而過(guò)厚的機(jī)匣結(jié)構(gòu)將嚴(yán)重增加發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，因此，研究不同厚度條件下GH4169材料的彈道沖擊特性，設(shè)計(jì)合理的厚度的機(jī)匣并包容高能量碎片對(duì)保證飛行安全是非常重要的。

Farahani等[6]采用Johnson-Cook(J-C)塑性本構(gòu)模型對(duì)4 mm厚度的鎳基超合金進(jìn)行了彈道沖擊數(shù)值模擬，并在研究中通過(guò)數(shù)值模擬確定J-C模型中C值。Borja Erice等[7]對(duì)1.6 mm厚度的Inconel 718靶板進(jìn)行了不同溫度條件下的彈道沖擊試驗(yàn)，并提出了一種適用于高應(yīng)變率和彈道沖擊數(shù)值模擬的彈塑性損傷本構(gòu)模型。Sciuva等[8]采用圓柱形彈體對(duì)Inconel 718合金進(jìn)行了不同沖擊速度條件的彈道沖擊試驗(yàn)與模擬模擬研究。Liu等[9-10]為研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣在高溫條件下的安全性能，對(duì)0.6 mm厚度的GH4169合金薄板在25～600 ℃溫度范圍內(nèi)的彈道性能和能量吸收特性進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究；同時(shí)其進(jìn)行了不同厚度(0.6 mm、1.2 mm、2.4 mm)的GH4169 合金材料靶板的彈道沖擊數(shù)值模擬研究。Rodriguez-Millan等[11]進(jìn)行了不同錐形彈撞擊單厚度(1.6 mm)Inconel 718靶板的彈道沖擊試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，并分析了不幾何形式的彈頭對(duì)彈道極限速度的影響。吳軻[12]對(duì)等質(zhì)量單厚度情況的GH4169加筋靶板進(jìn)行了彈道沖擊試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究。王濤等[13]針對(duì)GH4169高溫合金，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其在溫度為室溫至1 000 ℃、應(yīng)變率為2 000～10 000 s-1的范圍內(nèi)的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究。Yuan等[14]研究了工藝參數(shù)與熱處理參數(shù)對(duì)激光立體成型GH4169材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。通過(guò)對(duì)上述文獻(xiàn)中的工作調(diào)研分析可知，雖然對(duì)GH4619材料的靶板彈道沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了一定的研究，但分析其在沖擊載荷的響應(yīng)及破壞模式的相關(guān)研究或者公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道仍較少，并且大多數(shù)研究多數(shù)針對(duì)單厚度情況下或多厚度情況下模擬模擬方面的研究。雖然模擬仿真技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于研究彈道沖擊問(wèn)題中，但數(shù)值仿真過(guò)程與個(gè)人的主觀因素相關(guān)，往往模擬計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果存在較大偏差。且數(shù)值模擬結(jié)果終究不能完全代替真實(shí)的彈道沖擊試驗(yàn)中靶板表現(xiàn)出的變形與破壞形式等彈道沖擊特性。因此有必要進(jìn)行不同厚度條件下GH4169材料的彈道沖擊試驗(yàn)，分析不同厚度靶板的抗沖擊性能，開(kāi)展相應(yīng)的研究。

本文為了獲得不同厚度(2～6 mm)的GH4169材料靶板在受到彈丸沖擊載荷作用下變形、破壞模式和失效機(jī)理，對(duì)GH4169靶板開(kāi)展彈道沖擊試驗(yàn)，獲得其隨靶板厚度及速度條件變化情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，分析了鎳基高溫合金GH4169的抗沖擊特性，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

1 GH4169彈道沖擊試驗(yàn)

1.1 試件

本研究所使用靶板的材料是中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所提供的一種多晶鎳基高溫合金GH4169。熱處理?xiàng)l件為標(biāo)準(zhǔn)熱處理：固溶處理和時(shí)效，具體熱處理工藝參數(shù)及流程如圖1所示。靶板試驗(yàn)件設(shè)計(jì)為方形，邊長(zhǎng)尺寸為160 mm×160 mm與250 mm×250 mm兩種規(guī)格；厚度為尺寸為2 mm、3 mm、5 mm及6 mm共4種規(guī)格，共5種類(lèi)型試驗(yàn)件依次編號(hào)為Plate-No.1～Plate-No.5，具體尺寸如表1所示。靶板邊緣均布置了8個(gè)Ф10的螺栓孔，其中160 mm×160 mm靶板螺栓孔距靶板邊緣為10 mm，實(shí)際有效變形面積的正方形邊長(zhǎng)L=120 mm；250 mm×250 mm靶板螺栓孔距靶板邊緣為15 mm，實(shí)際有效變形面積的正方形邊長(zhǎng)L=190 mm，五種類(lèi)型靶板的具體尺寸及幾何結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。靶板試驗(yàn)件從圓餅狀鍛造毛坯中經(jīng)線切割及機(jī)械加工而成。表2列出了GH4169材料的化學(xué)成分。球形彈丸的材料為軸承鋼(GCr15)，直徑為24 mm，維氏硬度1 132.24HV20。

圖1 GH4169熱處理工藝流程

表1 五種不同靶板尺寸

注：① Plate-No.1; ② Plate-No.2; ③ Plate-No.3; ④ Plate-No.4;⑤ Plate-No.5

表2 GH4169合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 試驗(yàn)裝置

彈道沖擊試驗(yàn)裝置主要由空氣炮發(fā)射系統(tǒng)、靶板安裝與防護(hù)系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)及彈丸速度測(cè)量系統(tǒng)組成。一級(jí)空氣炮作為彈丸的發(fā)射裝置，空氣炮孔徑為25 mm，采用高壓氮?dú)庾鳛轵?qū)動(dòng)彈丸發(fā)射的氣體介質(zhì)。靶板距離炮口距離為30 mm，通過(guò)螺栓、固定夾具將靶板固定在靶板安裝架上，其中正方形固定夾具1與夾具2的外形尺寸與兩種不同靶板外形尺寸相同， 分別為160 mm×160 mm和250 mm×250 mm，夾具1與夾具2內(nèi)部分別開(kāi)了一個(gè)120 mm×120 mm和190 mm×190 mm方孔；通過(guò)外形尺寸為250 mm×250 mm的安裝板-1將尺寸為160 mm×160 mm的靶板安裝在固定支架上，在安裝板內(nèi)部開(kāi)了一個(gè)120 mm×120 mm方孔；置于靶板背面的安裝板-2也是方形邊框，外形尺寸為500 mm×500 mm，在其內(nèi)部開(kāi)了一個(gè)190 mm×190 mm的方孔用于安裝外形尺寸250 mm×250 mm的靶板。固定夾具及安裝板所開(kāi)的方孔為沖擊過(guò)程靶板的變形預(yù)留出了空間,固定夾具及安裝板的厚度均為12 mm。兩種不同的靶板均通過(guò)8個(gè)M10螺栓固定在夾具與安裝板之間。為了安全考慮，在靶板安裝架后面布置了彈丸及靶板碎片回收裝置，在回收裝置內(nèi)添加有緩沖材料。高速攝影系統(tǒng)有2臺(tái)高速攝影機(jī)(一臺(tái)記錄靶板沖擊過(guò)程，一臺(tái)記錄彈丸剩余速度)、高強(qiáng)LED補(bǔ)光燈、觸發(fā)裝置和計(jì)算機(jī)組成。高速攝影機(jī)采用Phantom(V711)高速攝影機(jī)，試驗(yàn)過(guò)程拍攝的頻率為50 000幀/s。并通過(guò)在兩者之間布置激光測(cè)速儀并與計(jì)算機(jī)相連用于測(cè)量彈丸沖擊靶板的初速度。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 彈道沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

本文對(duì)GH4169材料開(kāi)展的彈道沖擊試驗(yàn)的主要目的是評(píng)估機(jī)不同厚度的靶板的抗沖擊能力和破壞模式，為后續(xù)的機(jī)匣包容性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 主要采用靶板是否被擊穿、臨界穿透速度等作為定量評(píng)估的依據(jù)，同時(shí)為了表征靶板經(jīng)沖擊后的變形與破壞模式， 從兩個(gè)方面來(lái)考察GH4169靶板在彈丸沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)：① 靶板的整體變形情況，通過(guò)靶板背面的最大變形撓度來(lái)表示；② 靶板的破壞模式，通過(guò)彈孔直徑，沖塞直徑及裂紋數(shù)量進(jìn)行表征。對(duì)四種厚度五種尺寸規(guī)格的靶板共進(jìn)行了25次不同沖擊速度的試驗(yàn)，在沖擊速度96～313 m/s的范圍內(nèi)獲得了靶板未被擊穿與擊穿的結(jié)果。具體試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 彈道沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.1 彈道極限速度

根據(jù)表3的Plate-No.1靶板試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，存在彈丸擊穿與未擊穿靶板的試驗(yàn)情況。1963年Recht RF和Ipson TW，基于能量守恒和動(dòng)量守恒，并結(jié)合試驗(yàn)修正，提出了著名的Rcht-Ipson公式[15]解釋了彈道極限速度、殘余速度和初始速度之間的關(guān)系表達(dá)式如下

(1)

式中：vr,vi,vbl分別為剩余速度，入射速度，彈道極限速度，彈道極限速度等于試驗(yàn)中最大未穿透速度與最小穿透速度的平均值；其中a=mp/(mp+mpl)，p=2。mp和mpl分別為彈丸質(zhì)量與沖塞的質(zhì)量。

不同速度情況下從靶板上沖擊下來(lái)的沖塞大小并不同，經(jīng)測(cè)量其質(zhì)量如表4所示。選用沖塞質(zhì)量的平均值，結(jié)合式(1)對(duì)彈丸剩余速度進(jìn)行預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4中標(biāo)記Rcht-Ipson的曲線所示。然而從試驗(yàn)結(jié)果中可知球形彈丸沖擊平板獲得的沖塞質(zhì)量隨速度變化規(guī)律不同于圓柱形彈體侵徹平板獲得的沖塞質(zhì)量趨于常值的情況，沖塞的質(zhì)量隨著沖擊速度增加而成線性增加的關(guān)系，如圖5所示。因此引入如下公式

mpl=Avi+B

(2)

(4)

表4 不同沖擊速度條件下沖塞質(zhì)量

圖4 彈丸剩余速度預(yù)測(cè)R-I公式修正前后與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比

圖5 沖塞質(zhì)量與沖擊速度的關(guān)系

式中，A與B為擬合系數(shù)。彈丸為球形，引入彈丸尺寸形狀系數(shù)D，表達(dá)式如下

D=1-h/2dp

(3)

式中:h為靶板厚度；dp為彈丸直徑。

修正的Rcht-Ipson的公式如式(4)所示，其擬合結(jié)果見(jiàn)圖4，可知在較高速度情況下修正后的曲線公式較原始的Rcht-Ipson公式更能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)剩余速度。因此針對(duì)此小于亞音速球形彈丸沖擊薄靶板的彈道沖擊試驗(yàn)，在不同沖擊速度條件下剝落的沖塞質(zhì)量不相同的情況下，采用修正公式(4)可較好描述彈丸剩余速度。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)后的彈丸進(jìn)行測(cè)量和觀察，在彈丸沖擊靶板過(guò)程中，彈丸并未發(fā)生明顯塑性變形，因此假設(shè)彈丸為剛體，則彈丸的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘邪宓淖冃文堋?dòng)能及內(nèi)能。從圖4中對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與入射速度等于剩余速度的參考線表明在沖擊過(guò)程中彈丸速度均減小，因此在沖擊過(guò)程中靶板所吸收的最大能量b如式(5)。結(jié)合式(4)得出b隨彈丸入射速度的變化曲線如圖6中實(shí)線所示，隨著沖擊速度的增加靶板所吸收能量的大小是逐漸增加，但彈丸穿透靶板情況下能量吸收增長(zhǎng)率明顯小于未穿透靶板的情況，因此靶板被穿透后降低其對(duì)彈丸動(dòng)能的吸收能力；從圖中入射速度與彈丸剩余速度差值vd可知，彈丸剛穿透靶板后彈丸速度減小速率較高，隨著彈丸速度的增加彈丸沖擊速度與剩余速度的差值逐漸趨于常值45 m/s，速度變化情況與文獻(xiàn)[16]中硬質(zhì)卵形彈頭沖擊2A12鋁合金試驗(yàn)結(jié)果中入射速度與速度差值變化規(guī)律相似。

(5)

圖6 不同沖擊速度靶板吸能與彈丸速度變化差值

2.2 不同厚度靶板變形撓度

通過(guò)高度尺對(duì)試驗(yàn)后的靶板最大變形撓度進(jìn)行測(cè)量，圖7給出了3種不同厚度的GH4169靶板受彈丸沖擊作用下最大變形撓度隨速度變化關(guān)系。從圖7中可得到以下結(jié)論：① 從2 mm厚度靶板的最大變形撓度與沖擊速度變化曲線可以看出，彈丸擊穿靶板之前靶板最大變形撓度增加迅速，靶板被擊穿后隨著沖擊速度的增加靶板的最大變形撓度成線性減小的趨勢(shì)；② 不同沖擊速度情況下靶板的最大變形撓度出現(xiàn)在臨界穿透速度附近，與文獻(xiàn)[17-18]中的結(jié)論一致；③ 隨著靶板厚度的增加，在相同的沖擊速度條件下，靶板變形最大撓度逐漸降低。

圖7 不同厚度靶板變形最大撓度隨沖擊速度變化

2.3 靶板破壞模式分析

不同厚度的靶板在不同沖擊速度條件下表現(xiàn)出不同的最大變形撓度與其經(jīng)受沖擊后的變形與破壞形式有著極其大的關(guān)系，靶板經(jīng)沖擊后變形與破壞模式如圖8～12所示。從不同厚度下靶板的損傷結(jié)果可以知隨著厚度的增加，靶板的破壞形式從花瓣形損傷伴沖塞形式逐漸過(guò)渡為沖塞破壞，薄靶板彈孔周?chē)鷧^(qū)域發(fā)生彎曲變形，彈孔位置發(fā)生剪切變形，所以靶板的破壞為拉伸與剪切共同引起的；隨著靶板厚度的增加，靶板的整體變形逐漸減小，雖然局部出現(xiàn)一定的彎曲變形，但變形并不明顯，在沖擊速度為181.1 m/s時(shí)5 mm靶板所產(chǎn)生的最大變形撓度為5.5 mm，而2 mm厚度靶板在沖擊速度為183.6 m/s情況下花瓣形損傷最大撓度為12.8 mm，變形撓度較5 mm厚度靶板增加約132.7%。因此，厚靶板靶板的破壞主要是由于剪切引起的剪切破壞，隨著靶板厚度的增加，主要破壞模式發(fā)生了由蝶形變形到剪切的轉(zhuǎn)變，即從全局響應(yīng)轉(zhuǎn)變到局部響應(yīng)，作用力從拉伸和彎曲逐漸向剪切轉(zhuǎn)變，耗能機(jī)制發(fā)生了改變。因此靶板的失效模式與其厚度密切相關(guān)。

圖8 Plate-No.1板(160 mm×160 mm×2 mm)在不同沖擊速度條件下正面與側(cè)面變形與破壞情況

圖9 Plate-No.2板(160 mm×160 mm×5 mm)在不同沖擊速度條件下正面變形與破壞情況

圖10 Plate-No.3板(250 mm×250 mm×2 mm)在不同沖擊速度條件下正面變形與破壞情況

圖11 Plate-No.4板(250 mm×250 mm×3 mm)在不同沖擊速度條件下正面變形與破壞情況

圖12 Plate-No.5板(250 mm×250 mm×6 mm)在不同沖擊速度條件下正面變形與破壞情況

2 mm薄靶板的破壞形式與文獻(xiàn)[9]中的0.6 mm厚度靶板的試驗(yàn)結(jié)果呈一定相似性，總體呈現(xiàn)花瓣形損傷。利用高速攝影機(jī)記錄了沖擊速度為164.6 m/s時(shí)2 mm靶板被擊穿的整個(gè)歷程，如圖13所示。彈靶高速相互撞擊過(guò)程是典型的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題，2 mm厚度靶板在沖擊過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的蝶形整體變形情況，靶板的變形與破壞模式顯著依賴(lài)于彈丸速度和靶板材料及結(jié)構(gòu)特性。

圖13 彈丸以vi=164.6 m/s撞擊2 mm厚度GH4169靶板的沖擊過(guò)程

為了定量描述靶板經(jīng)沖擊后變形區(qū)的破壞情況，分析了不同厚度靶板彈孔直徑與裂紋數(shù)量，試驗(yàn)結(jié)果如圖14，15所示。從圖14可知，不同厚度靶板經(jīng)沖擊后所形成的彈孔直徑隨著靶板厚度呈減小趨勢(shì)；單獨(dú)針對(duì)單厚度靶板隨著沖擊速度的增加彈孔直徑呈指數(shù)形式函數(shù)增長(zhǎng)，并且最大值小于彈丸直徑(24 mm)。從圖15 可知，不同厚度靶板裂紋數(shù)量隨沖擊速度呈線性相關(guān)，在相同的沖擊速度條件下2 mm厚度靶板所產(chǎn)生的裂紋數(shù)量最大,5 mm與6 mm厚度靶板未產(chǎn)生明顯貫穿靶板厚度方向的裂紋。

圖14 不同厚度靶板彈孔直徑隨沖擊速度的變化曲線

圖15 不同厚度靶板裂紋數(shù)量隨沖擊速度變化對(duì)比曲線

3 結(jié) 論

在一級(jí)輕氣炮上開(kāi)展了直徑為24 mm的彈丸撞擊不同厚度的GH4169靶板的沖擊速度范圍為96.7～314.2 m/s的彈道沖擊試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1) 隨著靶板厚度的增加，靶板變形最大撓度逐漸降低。靶板的最大變形撓度出現(xiàn)在臨界穿透速度附近，靶板被擊穿前最大變形撓度迅速增加，然而當(dāng)靶板被擊穿后隨著沖擊速度的增加靶板的最大變形撓度呈線性較小的趨勢(shì)。

(2) 球形彈丸撞擊靶板過(guò)程所形成的沖塞質(zhì)量隨著沖擊速度的增加呈線性增加，提出的修正的R-I公式較原公式更能夠在較高速度情況下準(zhǔn)確預(yù)測(cè)彈丸剩余速度，在284 m/s速度情況下預(yù)測(cè)精度提高7.01%。

(3) 隨著靶板厚度的增加，靶板的損傷形式從花瓣形損傷伴沖塞形式逐漸過(guò)渡為沖塞破壞。薄靶板變形區(qū)彈孔周?chē)幱趶澢鸂顟B(tài)，彈孔部位處于剪切狀態(tài)，靶板的破壞為拉伸與剪切共同引起的；厚靶板彈孔周?chē)霈F(xiàn)不明顯的彎曲變形，破壞模式主要為剪切破壞；彈孔直徑隨著靶板厚度的增加而減小；不同厚度靶板彈孔直徑均隨沖擊速度呈指數(shù)函數(shù)形式變化；裂紋數(shù)量隨沖擊速度呈線性關(guān)系。

致謝

感謝中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所提供了試驗(yàn)所需的GH4169靶板材料對(duì)此論文工作的支持。感謝在試驗(yàn)過(guò)程中提供幫助的試驗(yàn)員簡(jiǎn)平虎及高猛、王培成等研究生。