高周疲勞（HCF）亦稱高循環疲勞，它是由各種氣動機械源誘導的振動應力引起的，其頻率在每秒幾千個循環以上。HCF在飛機燃氣渦輪發動機上是一個普遍的現象，在歷史上它已經導致發動機重要部件（風扇、壓氣機和渦輪）的過早故障，在某些情況下導致發動機和飛機的損失。
據統計，美國在1982~1996年間高周疲勞占A等發動機有關故障的56%。HCF對安全性、適用性和準備狀態有重要的負面影響，而且同時還增加維修成本。在1994財年，為進行風險管理檢查，HCF消耗了850000個維修工時。HCF引起的維修成本支出估計為每年超過4億美元。
美國的HCF科學和技術計劃在1994年12月正式開始，其具體目的是幫助消除飛機渦輪發動機故障的重要來源--HCF。從一開始，該計劃就由空軍牽頭的指導委員會管理，該委員會由空軍、海軍、陸軍和NASA以及附屬的工業咨詢委員會和行政獨立評審組（EIRT）組成。計劃的技術規劃組、科學和技術行動組、試驗和評估組和向發動機結構完整性計劃（ENSIP）轉移的工作組緊密合作，集中力量高效地發展關鍵的渦輪發動機HCF技術并實行成果轉移。2000年秋，成立了一個并行的指導委員會來監督與英國共同感興趣的HCF有關數據分享和技術發展工作。這項行動是在對美國和英國的HCF計劃進行廣泛的聯合評審并對潛在的技術合作領域和向先進渦輪發動機技術轉移的關鍵問題進行評估以后采取的。目前的HCF組的組織結構示于圖1。
HCF計劃的目標是大大改善飛行安全性和準備狀態并降低成本。具體目標如下：降低HCF有關的不可恢復空中停車50%；基本消除HCF有關的A等事故；基本消除HCF有關的預防性停飛；以及降低總的發動機維修成本15%以上。
HCF科學和技術計劃還支持綜合高性能渦輪發動機技術（IHPTET）計劃，其目標之一是降低發動機維修成本。這項計劃將通過技術行動組的工作實現將HCF有關維修成本降低50%的目標。此外，該計劃可有助于降低HCF有關的實際研制成本50%以上。當與試驗和鑒定計劃和未來的狀態監視途徑相結合時，HCF科學和技術計劃將能保證生產出損傷容限高得多的高性能發動機。
HCF科學和技術計劃的具體部件目標列于表1。
表1 HCF科學和技術計劃的部件目標
風扇
壓氣機
渦輪
交變應力預估精度
20
%25
%25
%阻尼諧振應力
60
%20
%25
%降低受損傷部件的不確定性
50
%50
%50
%提高前緣損傷容限
15倍（裂紋長度0.127~1.905mm）HCF科學和技術計劃的技術工作分為下列7個行動組：
（1） 部件表面處理；
（2） 材料損傷容限研究；
（3） 測試；
（4） 部件分析；
（5） 強迫響應預估；
（6） 被動阻尼；
（7） 發動機驗證（1999年增加）。
除了HCF科學和技術計劃及其行動組外，還有一項試驗和鑒定計劃（研究試驗方法和設備）和一項成果轉移計劃（研究指導文件），它們與所有的行動組相互支持。
對包括成果轉移原則、計劃成本和計劃經費在內的行動組的技術工作和進度不斷進行[進行評估和仔細的評審，以保證這項復雜的高優先權的計劃得到有效的管理。
在最近幾年中，在HCF科學和技術計劃下發展的技術已經幫助解決了若干困難的外場發動機問題。結果，現在的重大發動機事故少得多了。在HCF計劃方面已經取得了良好的進展。這個曾經是神秘兮兮的題目被運作到能夠大大降低成本并對美國空軍戰斗部隊的作戰、維修和戰備狀態產生積極影響的程度，這還是第一次。然而，它仍是一項非常困難的技術挑戰，還涉及多項技術發展和轉移的風險。今后，HCF計劃將繼續作為一項優先權很高的國家計劃，實現其總的技術目標，將基本上消除與其有關的發動機問題，并大大提高飛機準備備狀態和可用性。
1999年秋，HCF國家行動組完成一項項目復審研究，確定了為降低技術風險所需的工作。這些風險包括當前計劃的不足和新的要求。HCF的工業咨詢組和一個專門的委員會已經對修訂的規劃作了全面的評審和批準。經修訂的HCF計劃延長到2006年，重點增加了向先進作戰發動機的技術轉移和和對無人機和小發動機的注意。為了加強英國的參與和合作技術發展，當前的計劃應進一步加強對高優先權合作推進系統發展工作的技術轉移的支持。
計劃的重點仍繼續放在用HCF計劃發展的技術來修訂ENSIP計劃的材料、試驗和分析章節中與HCF有關的部分。
今后，HCF科學和技術計劃將繼續作為一項優先權很高的國家的和目前是國際性的工作。滿足計劃的技術目標可以基本消除發動機HCF有關的飛機事故并大大提高飛機系統的準備狀態。
HCF計劃是一項規模巨大的合作計劃，總投資近1.34億美元。其中，IHPTET計劃和空軍科學研究辦公室各出三分之一，工業部門出四分之一，其余的由NASA和制造技術計劃出。HCF計劃已經取得一些重要要成果，下面舉兩個例子。
（1）葉片阻尼程序（BDAMPER）它是一個葉片強迫響應預估程序，當用于F100發動機第3級風扇葉片重新設計時，使F100機隊的非計劃維修工時從1996年的800000個減少到1998年的200000個，到2000年下降到100000個。
（2）激光沖擊硬化（LSP）F101和F110發動機發生過幾次風扇葉片故障，迫使F101每飛25h和F110每天第一次飛行前要作一次能夠發現0.127mm裂紋的精細檢查。LSP解決了這個問題。LSP用激光產生一道局部能量波傳入葉片材料。在葉片深處產生壓縮應力，它阻止裂紋的起始和擴展。LSP產生的壓縮應力深度是常規鋼丸沖擊硬化的4倍。現在，用目視檢查取代精細檢查。LSP已陸續用于F101、F110和F414發動機的生產。到2002年，已經節省了5900萬美元。預計，對美國空軍機隊的壽命期內可節省10億美元。
下面將分各個技術行動組介紹其研究內容、目標和進展。
1部件表面處理
部件表面處理行動組負責促進各項HCF表面處理工作之間的合作，其目標是提高前緣損傷容限15倍(裂紋長度0.127~1.905mm)。表面處理行動組提供在從事LSP和有關技術的參與者之間的協調和聯系。組織了年度專題技術討論會并將討論會的摘要分發給相應的個人和組織。主席、副主席和選出的表面處理行動組成員估計每個季度評審開一次會，評審技術活動，提出LSP計劃的具體目標，并與技術規劃組和工業咨詢組協調。行動組的成員來自政府部門、工業界和大學，他們積極參與適用發動機HCF的表面處理技術工作。
部件表面處理行動組已經實現下列目標：
（1） 驗證了有損傷渦輪發動機風扇葉片的激光沖擊硬化具有與無損傷、未硬化的葉片同樣的高周疲勞強度或更好；
（2） 完成的試驗表明，激光硬化工藝具有阻止在渦輪發動機風扇葉片中裂紋起始和裂紋擴展的能力；
（3）驗證了一個采用現有設備和設施的完整的LSP系統（激光器、設施和工藝）。激光硬化技術已成功地轉移到F101和F110發動機上。結果，使這些發動機的抗外物損傷能力提高15倍，檢查工時大大減少，飛行安全性有所提高。
由于迄今取得的出色進展，發動機承包商現在正在采用LSP。通過改進制造設備和工藝，預期可進一步降低成本，這已成為本行動組的工作重點。發動機制造商目前正在設法在風扇和壓氣機整體葉盤上使用LSP。
本行動組和本節所述所有工作的最終目的是發展和實現生產型LSP的能力，這種能力能滿足美國軍方和制造商對疲勞關鍵件的經濟承受性目標。
2 材料損傷容限
材料損傷容限研究行動組（簡稱材料行動組）負責促進各項HCF材料損傷容限研究工作之間的合作，其目標是降低受損傷材料能力的不確定性50%。材料行動組為在HCF壽命預估、損傷成核和擴展建模、斷裂力學方法發展、剩余疲勞能力建模和表面處理技術鑒定方面積極的參與者之間提供技術協調和通訊。
材料損傷容限行動組大大加深了推進系統界對渦輪發動機HCF的理解。尤其是該行動組正在幫助發展和證實外物損傷壽命模型和接頭設計方法。材料組還發展了若干獨特的HCF能力，包括真實的微動磨損試驗、高溫微動磨損疲勞試驗裝置和存在高應力梯度條件下的新的壽命預估模型。今后，用于預估材料HCF特性的技術將轉移到工業設計系統。
3 測試
測試行動組負責支持各項HCF測試工作之間的合作，與強迫響應和部件分析行動組共同的目標是使對交變應力的預估精度達到20%以內。測試行動組為從事HCF測量、傳感器、數據處理和發動機狀態監視技術的積極參與者之間提供技術協調和通訊。
在建立Gen-4非干涉式應力測量系統（NSMS）的能力方面已經取得了許多進展。軟件的發展和證實工作仍在進行中，同時，普·惠公司的專有軟件已經用于XTC67/1核心機的試驗。在坑穴旋轉試驗中已經成功地驗證了NSMS，而且，在將這種測試能力擴大應用到小發動機方面也取得了進展。
4 部件分析
部件分析行動組負責支持各項HCF部件分析工作之間的合作，它與測試和強迫響應行動組的共同目標是使交變應力的預估精度達到20%以內。
部件分析行動組繼續政府/工業/大學工作組的活動，在在概率分析和設計過程方面取得了重大進展。在對葉片分析的概率方法的基本需要方面已經取得了若干重要成績，包括隨機場建模、試驗大綱集成和過程框架的發展。
5 強迫響應預估
強迫響應預估行動組負責扶持各項HCF強迫響應工作和測試和部件分析行動組之間的合作，以便將交變應力的預估精度開展在20%以內。強迫響應行動組為在HCF非定常氣動力學和葉片振動響應計算方面的積極參與者之間的技術協調提供手段。
強迫響應行動組的主要貢獻者之一是GUIde集團。GUIde組建于1991年，當時一些公司和兩所大學合作研究渦輪發動機的強迫響應問題。GUIde一詞代表政府、大學和工業界為了一個特定目標合作。這個集團是目前的國家HCF計劃的前身。該集團由來自美國空軍、NASA、海軍、6家發動機公司和14所大學的成員組成。該集團一起工作，來解決在交變應力預估能力方面的不足，大學和規定的成員用政府和工業界的資金發展和證實新的計算機模型。GUIde的計算機模型不斷納入發動機制造商的設計系統。
強迫響應行動組已經成功地發展了理解和預估在燃氣渦輪發動機輪盤內摩擦和調諧的影響的模型.在2001年，這些模型的的更新版已經轉移到工業部門使用。一種新版的BDAMOER程序正在成功地預估摩擦受限葉片的諧振響應。新版的REDUCE和SNM整體葉盤程序正由幾家渦輪發動機公司使用，而且工業部門正在聯合發展用于預估顫振和諧振應力的新的程序。
6 被動阻尼技術
被動阻尼技術行動組負責促進各項HCF被動阻尼工作之間的合作，其總的目標是使風扇和渦輪的諧振應力分別降低60%和25%。被動阻尼行動組在積極從事HCF被動阻尼技術的參與者之間提供技術協調和通訊。
通過零件、部件和發動機試驗以及發展非常成功的建模技術，被動阻尼技術行動組成功地評估了有巨大潛力的各種阻尼方案。工作組已經驗證了在帶葉片轉子的輪緣上而不是在葉片表面上涂粘彈阻尼層的可行性。這樣做能使葉片應力降低80%。渦輪摩擦阻尼取得了巨大成功，試驗結果顯示其振動降低的效果大大好于預估值。渦輪阻尼器已經被應用到發動機驗證機計劃上。在粒子阻尼系統方面也取得巨大的進步。在坑穴旋轉試驗中已經成功地驗證了一種粘彈材料阻尼系統的從新設計。氣膜阻尼系統也顯示出大有希望。這些阻尼系統還正在發展，以便在發動機上進一步驗證。今后的工作重點之一是發展成本效益好的阻尼系統制造技術。
7 發動機驗證
發動機驗證行動組負責所有HCF技術與計劃的發動機驗證機目標之間的協調。發動機驗證負責采集必要的數據，以便為特定的HCF技術建立或修訂設計準則，從而使技術可以工程化以滿足用戶的任務要求。該行動組將使他們的HCF技術發展到能夠在驗證機上試驗的可接受的風險水平。最初的驗證機的計劃是根據原來批準的那組HCF技術制定的，而隨著預算和技術的變化，計劃不斷修訂。驗證行動組的工作一直集中在渦噴/渦扇戰斗機發動機方面，包括IHPTET計劃的驗證機和正在研制的先進發動機。對在裝備清單里的F110-129、F100-229和其他發動機的計劃正在制定中。
HCF計劃已經并將繼續通過將HCF技術放在IHPTET計劃的核心機和驗證機上的驗證試驗來證實HCF相關技術。這些試驗所提供的相關條件是將技術轉移到實用系統上去的關鍵。HCF技術，如果它們是能夠預估試驗或實際使用結果的分析方法，或它們是在硬件（像阻尼器或表面處理）上實施的實際概念，那么在它們在發動機上成功驗證后就基本上得到證實。剩下的問題是如何驗證在振動條件下的耐久性和如何為從這些驗證機所具有的有限試驗資源和試驗時間得到的試驗數據提供統計意義。這些問題最終將通過發動機驗證和其他證實方法相結合的辦法來解決。
8 試驗和鑒定
HCF問題已經導致發動機的事故，影響到美國空軍外場系統的使用和維修。試驗和鑒定確保發動機已經得到充分的設計和發展，從而使得使用中HCF發生概率減到最小。其方法在試驗大綱中規定。
使用中的飛機發動機不得發生HCF問題，這些問題會導致故障、使用限制、未到期維修和影響軍用飛機可用性的檢查。試驗大綱的目的是提供設計、試驗和將部件集成到全尺寸發動機中有關的信息，以便使在發動機的整個飛行包線內HCF故障發生概率減到最小。
燃氣渦輪發動機的故障機理有：
· HCF；
· LCF；
· 熱-機械疲勞；
· 蠕變；
· 超應力；
· 腐蝕；
· 微動磨損和磨損。
部件避免這些故障機理的能力取決于部件的設計、材料性質和工作環境。部件設計的所用的材料是一定的。工作環境會變化，因而對部件的壽命有決定性的影響。所有這些因素的相互關系影響到部件壽命的消耗。影響壽命消耗的其他因素有：
· 制造和材料缺陷；
· 裝配和維修誤差；
· 外物損傷；
· 超限（即超轉、超溫）。
HCF主要受發動機設計的影響。發生HCF故障的部件就是這樣，因為它經受了大量（>107）彈性應力循環。一些因素會引起部件的高頻載荷。這些因素一般稱為激勵因素，它們包括發動機內流擾動、自激振動（顫振和抖振流動分離）、流動畸變（壓力或溫度）和轉子平衡。
由于HCF引起的結構故障影響到發展（包括試驗）、生產和外場使用，進而會影響成本和進度。為了使HCF發生的可能性減到最小，編制了一個HCF試驗大綱，它適用于零件的設計、發展、試驗和使用全過程。途徑往往稱為整體性，即考慮的是整體，而不是一個零一個的零件。重點放在在發展和使用的各個階段產生關鍵信息，并將這些信息用于此過程的其他階段。包括以分析-模型為基礎的方法和試驗結果的綜合發展過程已經取代了設計后試驗的傳統過程。試驗大綱包括特性測取和驗證階段。該大綱總的目的是采集關于系統的信息，以便當系統概念從設計到生產和維修逐步成熟時降低故障發生的概率。故障的概率可顯示為大致隨發展進程而減小，如圖2所示。隨著對系統知識的積累，自信區間變窄。虛線為平均故障概率，且隨系統發展的進行而減小。特性測取試驗大綱貫穿于概念、設計和工程/制造發展（EMD）階段，用于減小自信區間。驗證試驗大綱繼續減小故障概率，直到生產開始。然后，驗證試驗驗證合格的概率。
9 技術轉移
技術轉移行動組負責確定HCF計劃中發展的已經成熟的那些技術、方法和準則，以便將它們轉移到發動機結構完整性計劃（MIL-HDBK-1783B，2001年第1和第2季度）和聯合部隊渦輪發動機規范指南（JSSG-2007，2003年第4季度和2004年第1季度））中。本項工作的目標是確保從各個行動組獲得的知識成功地轉移到設計實踐中并積極運用于未來軍用發動機設計工作。三個小組（分析、試驗和材料）積極溝通并與其他行動組、工業界和學術界協調，以便尋找機會并提出建議。
10.0 美國和英國的合作活動
在2001年和2002年期間，在美國國防部和英國國防部內都進行了大量的工作來制定一項項目協議書（PA），該項目協議書在現有美國國防部和英國國防部研究和發展項目諒解備忘錄（MOU）框架下將詳細規定有關HCF計劃的具體合作活動。協議意向的活動超出按照現有的信息交換協議（IEA）在兩國之間已經進行的信息交換活動，IEA只允許交換由每個國家各自獲得的信息。PA允許成本共攤和成果共享的合作活動。到2002年底，PA的文字已經取得一致，而且文件已準備好供兩國簽署。（最后的簽署將在2003年1月30日進行）。
PA的主要目的是提高發動機的可靠性，從而提高燃氣渦輪推進系統用戶的安全性。打算的內容如下：
（1） 編制軍用發動機系統的設計和證實指南；
（2） 獲得與振動有關的故障現象的共同理解和術語；
（3） 證實減少非預期發動機HCF故障發生的方法；
（4）改善部件和系統的設計，以減少HCF的可能性；
（5）研究抑制HCF的涂層技術；
（6）比較和證實現有的美國國防部和英國國防部發展的調諧規則和工具（分析和設計系統）；
（7）比較和證實美國國防部和英國國防部發展的被動阻尼系統；
（8）比較和證實美國國防部和英國國防部發展的非干涉式測量系統；
（9）比較和證實現有美國國防部和英國國防部發展的統計模型和概率分析方法；
（10）對與外物損傷、微動磨損和HCF與LCF相互干擾有關的損傷積累進行研究、建模和證實；
（11）比較和證實現有美國國防部和英國國防部制定的試驗大綱。
（信息來源：機械電子頻道子站）
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