航空發(fā)動機渦輪部件斷裂分析

賀孝濤

（海軍裝備部，陜西 西安 710021）

1 引言

航空發(fā)動機渦輪部件工作環(huán)境惡劣，失效概率高，模式復雜。分析研究其失效模式，總結失效特點和規(guī)律，對于提高發(fā)動機制造水平，確保飛行安全具有重要意義。

某航空發(fā)動機在外場工作500多h，地面開車檢查時，滑油壓力告警燈亮，收油門后，滑油壓力告警燈不滅，且超溫燈亮，T6溫度迅速上升，800℃以上時間約2min，最高1037℃。同時發(fā)現(xiàn)尾噴口內(nèi)有大量金屬碎塊，低壓渦輪Ⅱ級轉子（以下簡稱低渦Ⅱ轉）葉片打傷變形，同時有嚴重的葉片斷裂和掉塊現(xiàn)象，放氣活門隨動桿斷裂。

該發(fā)動機高壓渦輪Ⅰ級導向（以下簡稱高渦Ⅰ導）葉片為鈷基鑄造高溫合金，其余3級導向葉片和高壓渦輪Ⅰ、Ⅱ級轉子葉片均為鎳基鑄造高溫合金，低壓渦輪Ⅰ、Ⅱ級轉子葉片為鎳基鍛造高溫合金。放氣活門隨動桿材料牌號為1Cr12Ni3MoVN。

通過現(xiàn)場勘查、斷口分析、金相檢查等手段，確認了本次發(fā)動機零部件的失效模式和主要原因。

2 故障調查

2.1 現(xiàn)場勘查

經(jīng)現(xiàn)場勘查，渦輪部件損壞嚴重，表面有沉積物。

高渦Ⅰ導葉片和高壓渦輪Ⅰ級轉子（以下簡稱高渦Ⅰ轉）葉片正常，未見掉塊及斷裂現(xiàn)象，表面呈土黃色。

多片高壓渦輪Ⅱ級導向（以下簡稱高渦Ⅱ導）葉片葉身排氣邊掉塊，掉塊處有滲層鼓包起皺現(xiàn)象，葉身呈灰綠色或暗紅色。

所有高壓渦輪Ⅱ級轉子（以下簡稱高渦Ⅱ轉）葉片均由葉身中部斷裂，宏觀形貌基本相似，呈階梯狀，斷口粗糙，為灰綠色。

多片低壓渦輪Ⅰ級導向（以下簡稱低渦Ⅰ導）葉片排氣邊中部掉塊，葉背面有大量黑色粘著物。

全部低壓渦輪Ⅰ級轉子（以下簡稱低渦Ⅰ轉）葉片均由葉身中部斷裂，斷口形貌相似，均呈灰色，斷面粗糙，呈顆粒狀，未見疲勞斷裂特征。

個別低壓渦輪Ⅱ級導向（以下簡稱低渦Ⅱ導）葉片打傷、變形，未見斷裂現(xiàn)象。

多片低渦Ⅱ轉葉片打傷變形，未見斷裂現(xiàn)象。

高渦Ⅱ轉和低渦Ⅰ轉封嚴環(huán)內(nèi)壁有嚴重摩擦痕跡和金屬覆蓋，局部區(qū)域的金屬覆蓋物剝落，呈金黃色高溫形貌。各級葉片宏觀形貌如圖1所示。

2.2 失效零部件分析

2.2.1 斷口分析

放大觀察所有渦輪部件斷口。

其中3級渦輪導向葉片出現(xiàn)掉塊，掉塊斷口均位于葉片排氣邊，尺寸不一，其斷口粗糙，表面有氧化色和金屬粘接物，斷口局部可見塑性變形，均屬過載斷裂。

圖1 裂紋宏觀形貌

高渦Ⅱ轉和低渦Ⅰ轉葉片全部由葉身中部斷裂，斷裂處無塑性變形、縮頸特征，進氣邊未見橫向裂紋和與進氣邊呈45℃角的變形溝線，放大鏡觀察所有高渦Ⅱ轉葉片和低渦Ⅰ轉葉片斷口，其斷口形貌相似，有輕微氧化色，斷口粗糙，斷面有明顯擴展棱線及臺階匯聚于葉背，為斷裂起始處，向葉盆擴展。

掃描電鏡顯微觀察高渦Ⅱ轉葉片斷口起源于葉背，線源，源區(qū)未見材料冶金缺陷，向葉盆方向擴展，擴展區(qū)疲勞特征不明顯，有明顯滑移臺階和河流花樣，斷口局部可見熔融孔洞（見圖2）。分析認為高渦Ⅱ轉葉片應屬低周疲勞斷裂，斷口有過燒特征。

圖2 高渦Ⅱ轉葉片斷口形貌

掃描電鏡顯微觀察低渦Ⅰ轉葉片斷口形貌（見圖3a）。斷口由葉背起裂，向葉盆方向擴展，顯微形貌為沿晶斷裂特征，斷口未見疲勞特征及冶金缺陷（見圖3b）。分析認為屬過載斷裂。

圖3 低渦Ⅰ轉葉片斷口形貌

2.2.2 組織分析

由各級葉片葉身取樣進行了顯微組織和硬度檢查，對各級葉片超溫狀態(tài)進行了評價，結果如表1所示。部分超溫葉片組織如圖4所示。

表1 各級渦輪葉片組織、硬度和超溫狀態(tài)

由表2和圖4看出，高渦Ⅱ導葉片、高渦Ⅱ轉葉片出現(xiàn)超溫過燒；低渦Ⅰ導葉片、低渦Ⅰ轉葉片出現(xiàn)超溫過熱；其余各級葉片均未見超溫過熱跡象。

2.2.3 渦輪封嚴環(huán)分析

對摩擦和覆蓋物沉積嚴重的高渦Ⅱ轉和低渦Ⅰ轉封嚴環(huán)進行了表面狀態(tài)分析。圖5為兩級封嚴環(huán)表面顯微形貌，其表面有較重摩擦損傷和大量金屬熔滴粘附。

對渦輪封嚴環(huán)表面粘附熔滴進行能譜分析，結果如表2所示。結果表明，高渦Ⅱ轉封嚴環(huán)表面粘接物主要為高渦Ⅱ轉葉片材料，低渦Ⅰ轉封嚴環(huán)表面粘接物主要為低渦Ⅰ轉葉片材料。

表2 渦輪封嚴環(huán)表面粘接物能譜分析結果（質量分數(shù)／%）

圖4 超溫葉片顯微組織

圖5 兩級渦輪封嚴環(huán)表面顯微形貌

2.2.4 放氣活門隨動桿斷口分析

放氣活門隨動桿在退刀槽內(nèi)側轉接R處斷裂，斷口較平坦，未見明顯塑性變形，源區(qū)附近呈黃色，斷面有明顯疲勞弧線特征，疲勞擴展充分，占整個斷口面積的4／5，屬疲勞斷裂（見圖6）。顯微觀察，疲勞源為多源、線源，起源于較深加工刀痕，源區(qū)未見材料及冶金缺陷，疲勞擴展前期及后期均可見疲勞條帶，后期疲勞條帶較細密，瞬斷區(qū)為韌窩特征（見圖7）。放氣活門隨動桿材質檢測正常。

放氣活門隨動桿多源起裂表明起始應力較大，疲勞擴展充分，擴展后期疲勞條帶細密，表明該件疲勞斷裂具有高周疲勞擴展的特點。

圖6 放氣活門隨動桿斷裂位置及斷口形貌

3 分析與討論

3.1 超溫狀態(tài)與渦輪葉片斷裂關系

圖7 放氣活門隨動桿斷口顯微形貌

根據(jù)第1節(jié)對各相關零件的分析，可以看出發(fā)生失效的渦輪部件中，除高渦Ⅱ轉葉片屬低周疲勞斷裂外，各導向葉片及低渦Ⅰ轉葉片屬過載斷裂。依照斷口判斷的基本原則，渦輪部件中的首斷件為高渦Ⅱ轉葉片。斷口分析表明所有高渦Ⅱ轉葉片斷裂模式相同，不存在斷裂的先后，屬幾乎同時發(fā)生的。

組織分析表明，高渦Ⅱ轉葉片出現(xiàn)超溫過燒，因此需要判斷高渦Ⅱ轉葉片斷裂與超溫過燒的關系。一般而言，熱損傷引起的疲勞斷裂具有如下特征：①斷裂部位通常處于葉身中部高溫度區(qū)；②斷裂起始于進氣邊邊緣，源區(qū)呈深黑色，氧化嚴重，擴展區(qū)斷面較平坦，顏色比源區(qū)淺，有疲勞弧線，瞬斷區(qū)粗糙；③源區(qū)為沿晶韌斷，晶界存在初熔特征，擴展區(qū)有疲勞條帶；④大部分葉片進氣邊存在橫向裂紋，少則一條，多則十幾條，斷口形貌相似；⑤葉片高溫區(qū)出現(xiàn)γ′相長大、回溶，γ＋γ′共晶初溶及晶界變粗、熔化特征。本次失效高渦Ⅱ轉葉片均沿葉身中部高溫區(qū)折斷，斷口存在氧化及初熔，但斷口附近未發(fā)現(xiàn)變形溝線，橫向裂紋及沿晶韌斷等特征，與一般熱損傷引起的疲勞部分特征吻合，部分特征有別，不能充分說明超溫熱損傷是導致所有高渦Ⅱ轉葉片出現(xiàn)低周疲勞斷裂的原因。

渦輪轉子在正常工作情況下，轉子與封嚴環(huán)有一定間隙，允許摩擦到葉冠頂面的封嚴齒，但這種摩擦是輕微的，不會造成封嚴環(huán)表面出現(xiàn)嚴重摩擦。但渦輪封嚴環(huán)表面實際存在嚴重摩擦，并有金屬熔化，且熔化金屬以本級別葉片材料為主，表明渦輪葉片與封嚴環(huán)發(fā)生了嚴重摩擦。裝機葉片尺寸復查表明所有葉片尺寸正常，不存在導致摩擦的可能，所以，渦輪葉片在斷裂之前超溫伸長是其與封嚴環(huán)產(chǎn)生嚴重摩擦的唯一原因。由此看來，渦輪部件的失效過程因該是：首先是發(fā)動機超溫，引起渦輪轉子伸長，使得葉片與渦輪封嚴環(huán)出現(xiàn)嚴重摩擦，摩擦產(chǎn)生的附加彎曲應力作用于葉身，在葉片溫度最高，強度薄弱的葉身中部發(fā)生斷裂。高渦Ⅱ轉葉片低周疲勞斷裂，反映出這種超溫伸長是一個逐步嚴重的過程，也就是隨著溫度的增長，摩擦附加彎曲應力的逐步增長，進而疲勞斷裂的過程。

上述分析表明，超溫過熱引起葉片伸長是導致高渦Ⅱ轉葉片全部疲勞斷裂的原因。高渦Ⅱ轉葉片斷裂后致使發(fā)動機做功下降，出現(xiàn)熱量積聚，引起了渦輪部件進一步的超溫過燒、過熱，才有過熱超溫集中在高壓Ⅱ導葉片、高渦Ⅱ轉葉片、低渦Ⅰ導葉片、低渦Ⅰ轉葉片的可能，并在摩擦附加彎曲應力作用下引起低渦Ⅰ轉葉片過載斷裂。

3.2 渦輪超溫原因分析

超溫過熱引起葉片伸長是導致渦輪部件失效的主要原因，而渦輪超溫的因素有很多，如燃油霧化不良等。

根據(jù)發(fā)動機結構分析（見圖8），放氣活門隨動桿一端為轉軸，另一端為U型撥叉。其中轉軸通過外花鍵與防喘調節(jié)系統(tǒng)的放氣活門控制桿相連接，U型撥叉與放氣活門相連。轉軸在防喘調節(jié)系統(tǒng)的帶動下轉動，使U型撥叉擺動，從而帶動放氣活門運動，以達到開、關放氣活門的目的，將集氣腔的多余空氣放到外涵道中，實現(xiàn)內(nèi)涵壓力的調節(jié)。

圖8 放氣活門隨動桿結構示意圖

當放氣活門隨動桿斷裂后，放氣活門無法工作，內(nèi)涵壓力增大，致使高壓氣流進入燃燒室，發(fā)動機渦輪溫度提高，導致渦輪部件超溫。所以放氣活門隨動桿斷裂是導致渦輪超溫的主要原因。

調查分析認為放氣活門隨動桿多源起裂表明起始應力較大，除與R處刀痕有關外，與放氣活門隨動桿工作時，U型撥叉根部承受較大的彎曲應力和扭轉應力有關，而這種附加應力主要來源于裝配。

綜上可見，本臺發(fā)動機放氣活門隨動桿疲勞斷裂是導致渦輪部件超溫斷裂的主要原因。

4 結論及建議

基于前文所作分析，有如下建議：

（1）放氣活門隨動桿疲勞斷裂是導致渦輪部件超溫斷裂的主要原因；

（2）裝配引入較大附加應力是放氣活門隨動桿疲勞斷裂的主要原因，轉接R處較深加工刀痕促進了疲勞裂紋的萌生；

（3）加大放氣活門隨動桿的轉接R，提高加工表面質量，控制放氣活門變形量及搖臂軸的軸向位置度，有利于減小附加彎曲應力，避免隨動桿早期疲勞斷裂。

［1］張棟，鐘培道，陶春虎.失效分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004：63.

［2］陶春虎，鐘培道，王仁智，等.航空發(fā)動機轉動部件的失效與預防［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2000.

［3］楊健，孫智君.某航空發(fā)動機渦輪葉片的斷裂分析［J］.理化檢驗：物理分冊，2012，48（8）：538－542.

［4］張慶民，張萬秋，王立波.發(fā)動機渦輪Ⅱ級葉片斷裂原因分析［J］.失效分析與預防，2010，5（1）：35－38.

［5］盧文海，劉麗玉，白明遠.發(fā)動機燃氣渦輪葉片斷裂分析［J］.失效分析與預防，2010，5（4）：252－256.