燃油泵葉輪異常斑痕的形成原因分析

劉 松

(中航工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心，南京 211106)

0 引言

自從歐拉發(fā)現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象、雷利開創(chuàng)氣蝕研究以來，關于氣泡破滅及氣蝕過程研究就一直備受重視。許多研究者也提出了一些氣蝕的機理。很早有人認為氣蝕是在化學作用和零件表面承受著重復的機械應力的共同結果，其機理與腐蝕疲勞的機理有些相似;神山新一等［1］則認為氣蝕不存在化學作用，也不存在電化學作用，只存在機械破壞作用，氣蝕痕跡是氣泡破滅產生的沖擊力，對接觸面破壞所造成的。目前，多數(shù)研究者都比較認同神山新一等關于氣蝕產生的機理觀點，認為氣蝕應該屬于一種獨特的磨損形式，是流體流經零件表面時，由于零件材料表面局部幾何形狀的改變，導致流體的壓力、流速等改變，使液體中的氣泡迅速破裂。結果致使零件表面承受反復不斷的沖擊力作用，對該處造成破壞，留下?lián)p傷痕跡［2-3］。氣蝕現(xiàn)象主要出現(xiàn)在離心泵［4］、水壓機［5］、液壓泵［6］、液壓閥［7］等傳輸液態(tài)介質的零部件中。氣蝕損傷又是一個長時間對零件表面破壞積累的過程，隱蔽性強，不易發(fā)現(xiàn)，更不易預防。因此，一旦由于氣蝕致使機械零部件失效，可能出現(xiàn)傳輸?shù)囊后w介質泄漏、零部件損壞等，甚至會導致更為嚴重的安全事故發(fā)生。目前，對影響氣蝕的因素及解決措施研究的比較多，而對氣蝕的痕跡形貌表征及應用形貌表征進行失效分析的案例研究還比較少［8-9］。氣蝕的形貌表征及相關的典型案例研究可以為流體機械的失效分析與預防提供一些具有工程價值的參考和依據(jù)。

航空燃油泵是飛機燃油系統(tǒng)的重要零部件，主要功能是為油箱中的燃油輸向發(fā)動機提供動力［10］。葉輪作為燃油泵的最為關鍵零件，其失效與否關系到整個燃油系統(tǒng)的效果，甚至危及飛機的飛行安全。

航空燃油泵返廠檢查時，發(fā)現(xiàn)其葉輪葉片上有異常斑痕。該航空燃油泵工作1 000 h;葉輪材料為LY11鋁合金，T4狀態(tài)，表面硫酸陽極化處理。本研究主要通過對葉輪異常斑痕的形貌表征進行分析，判斷其符合氣蝕特征的形貌表征，旨在提高產品質量和可靠性，預防類似情況再發(fā)生，豐富流體機械零部件氣蝕失效的案例。

1 試驗過程與結果

1．1 斑痕形貌觀察

葉輪的每片葉片均有異常斑痕存在，且異常斑痕分布位置基本相同，均分布在葉片燃油流出方向靠近葉盤最外徑圓周的截面上(圖1)。異常斑痕具有鮮亮的金屬光澤，未發(fā)現(xiàn)機械磨蹭的痕跡(圖2a)。A區(qū)域(異常斑痕處)損傷最為嚴重，已形成凹坑，坑底已被擊穿(圖2b);凹坑內壁潔凈，無腐蝕形貌和腐蝕產物存在，凹坑內部存在由變形形成的唇狀微觀形貌(圖2c)。B區(qū)域(異常斑痕與正常表面交界處)陽極化膜已經破損、龜裂和脫落的現(xiàn)象。

圖1 葉輪上異常斑痕的分布形貌Fig．1 Abnormal spots on the fuel pump impeller

圖2 異常斑痕及其附近的形貌Fig．2 Abnormal spot and nearby morphologies

1．2 能譜分析

對異常斑痕(A區(qū)域)進行能譜分析，結果只發(fā)現(xiàn)了Al、Cu、Mn元素，未發(fā)現(xiàn)葉輪基材所含成分以外的元素。對表面完好的區(qū)域(C區(qū)域)進行能譜分析，結果發(fā)現(xiàn)Al、O、S元素;根據(jù)能譜分析結果可知，表面完好處陽極化膜依然存在，且為硫酸陽極化膜，符合技術要求。

1．3 金相分析

對異常斑痕及附近的區(qū)域制取試樣進行金相分析。結果發(fā)現(xiàn)，異常斑痕區(qū)域未發(fā)現(xiàn)陽極氧化膜形貌存在(圖3a)，晶粒已破損，破損處多以凹坑、孔洞狀形貌深入基材晶粒，未見沿著晶界開裂的破壞走勢(圖3b)。表面完好區(qū)域的陽極氧化膜形貌見圖3c。葉輪材料未見過燒特征形貌(圖3d)。

圖3 燃油泵葉輪金相組織Fig．3 Microstructures of the fuel pump impeller

2 分析與討論

從異常斑痕具有鮮亮的金屬光澤，未發(fā)現(xiàn)機械磨蹭的痕跡，可以排除該斑痕是由于機械磨損形成的可能。從異常斑痕的凹坑內壁潔凈，無腐蝕形貌特征及腐蝕產物存在，可以排除該斑痕是由于腐蝕形成的可能。王維夫等［11］曾經對比過3種不同種類金屬材料(TC6鈦合金、ZL101鋁合金、2Cr3WMoV鋼)的航空發(fā)動機供油系統(tǒng)典型構件的氣蝕形貌。其研究發(fā)現(xiàn)，3種材料構件均具有氣蝕區(qū)域中央氣蝕程度嚴重、邊緣氣蝕程度較輕的特點(說明了氣蝕只在滿足氣蝕發(fā)生條件的特定區(qū)域出現(xiàn)，偏離該區(qū)域氣蝕程度會迅速減輕或消失);氣蝕過程表現(xiàn)出一定的相選擇行為，雙相或多相金屬材料中相對易變形、較軟或韌性較差的相往往會被優(yōu)先破壞，形成氣蝕孔洞等。航空燃油泵葉輪異常斑痕損傷最為嚴重的區(qū)域無陽極化膜存在，已形成較深凹坑，坑底已被擊穿;異常斑痕邊緣只是陽極化膜破損、龜裂。通過垂直于異常斑痕的截面組織形貌(圖3)可以觀察到，晶粒內部被優(yōu)先破壞，形成明顯的孔洞，晶界形態(tài)相對完整，未見沿著晶界開裂的破壞走勢。這些形貌表征均與氣蝕損傷破壞特征相符。再有，從斑痕的凹坑內部存在變形形成的唇狀微觀形貌和斑痕邊緣未脫落的陽極化膜產生的變形形貌，可以判斷出該斑痕區(qū)域受到了一定的壓力作用。因而，可以確定該異常斑痕是由于氣蝕作用形成的。氣蝕過程一般可以分為氣泡產生、氣泡吸附和氣泡破潰(該過程造成表面破壞)3個階段［12］。氣泡的形成原因是溶解在液體介質中的氣體析出，或者是由于局部壓力改變造成液體介質氣化。氣泡的形成多發(fā)生在液體流動通道表面凸起、凹坑或液體流動狀態(tài)發(fā)生突然改變的區(qū)域，如導流孔、出口等存在導致旋渦產生或引起局部壓強下降的區(qū)域。當液體介質中的氣泡壓力、溫度等條件不能滿足其繼續(xù)存在時，氣泡發(fā)生破潰。破潰過程產生的沖擊波或引射流將對其吸附表面產生破壞。羅經等［12］曾推導了微射流所產生的，其中，c為聲速，ρ為液體密度，p為氣泡壁內外的壓強差。王維夫等［9］利用該公式假設氣泡破潰瞬間氣泡壁內外壓強差為40個大氣壓，航空發(fā)動機鋁合金燃油加力泵蝸殼在氣泡破潰處受到的沖擊作用可達到約206．5 MPa。由此可見，氣蝕是一種破壞性很大的損傷形式，其作用原理類似超聲波清洗，只是對機械零部件的破壞程度要比超聲波清洗大的多。因此，氣蝕損傷區(qū)域的氣蝕凹坑形貌多為中心凹陷，內壁光滑、潔凈(具有類似超聲波清洗的作用效果)，微觀塑性變形特征形貌明顯。該航空燃油泵葉輪材料為T4狀態(tài)的LY11鋁合金，氣蝕過程中晶粒內相對較軟的α-Al基體相被優(yōu)先破壞，表現(xiàn)出了氣蝕打孔和掏空的行為，形成孔洞?？锥词艿綒馀莘磸推屏褯_擊作用，導致其局部多次發(fā)沖擊力作用表達式生微觀塑性變形，形成了氣蝕凹坑。氣蝕凹坑中心凹陷，內壁光滑，凹坑邊緣在受到多次氣蝕作用下，邊緣多次塑變疊加形成唇狀形貌。由于氣蝕損傷區(qū)邊緣受到氣蝕作用相對較小，陽極化膜只是破損、龜裂，還留下了明顯的塑性變形痕跡，為判斷航空燃油泵葉輪異常斑痕是由于氣蝕作用造成的留下了清晰的形貌證據(jù)。

該航空燃油泵葉輪出現(xiàn)氣蝕的部位均在燃油離心甩出葉輪出口處，而氣泡的形成應與工作時葉輪入口壓力變化有關。燃油泵工作時，葉輪入口處形成的低壓區(qū)為小氣泡形成提供了條件。由于飛機工作時要向油箱中注入適量的氮氣，進行油箱惰化，這為氣蝕損傷的氣泡形成提供了氣體來源。由此，可以推斷該航空燃油泵葉輪的氣蝕過程如圖4所示。第一階段，燃油泵工作時，葉輪高速旋轉產生的離心力，使吸入的燃油沿葉片流道被甩向葉輪出口;同時，在葉輪入口處也形成了低壓區(qū)。當葉輪入口附近最低壓力小于該處溫度下被輸送燃油的飽和蒸汽壓時，燃油開始氣化。此時，溶解在燃油中的某些氣體會逸出，形成氣泡。產生的氣泡隨著燃油液流沿著葉片流道甩向葉輪出口。葉輪出口處由于葉輪壓縮燃油做功，使燃油壓力驟增，形成高壓區(qū)。因此，到達葉輪出口的氣泡內壓也進一步增加。第二階段，葉輪出口處的氣泡開始吸附到葉輪葉片邊緣尖角處。第三階段，吸附的小氣泡順利從葉輪與殼體的間隙通道流出;而大氣泡則在葉輪與殼體的間隙通道形成擠壓，使得氣泡內壓再次增大。第四階段，受擠壓的氣泡由于內壓持續(xù)增大，最終導致其破潰。破潰的氣泡形成的微射流或沖擊波，以極高頻率連續(xù)沖擊氣泡吸附區(qū)域附近的葉輪葉片壁邊緣，產生氣蝕損傷，留下了異常斑痕。

圖4 燃油泵葉輪的氣蝕過程示意圖Fig．4 Schematic diagram of the cavitation erosion process about the fuel pump impeller

預防燃油泵葉輪的氣蝕損傷措施，總體上應從改進燃油泵自身及其相連管路的結構設計，通過附屬設備提高燃油泵的抗氣蝕性能，以及通過改變泵的外部安裝使用條件增加燃油泵的抗氣蝕性能3個方面來考慮［4］。結合該燃油泵的實際情況，認為在滿足燃油泵的功率和效率要求的條件下，適當調整葉輪與殼體的間隙尺寸及對葉片邊緣的尖角、棱角處進行適量倒圓，可能會減緩燃油泵葉輪的氣蝕損傷程度。

3 結論

1)燃油泵葉輪異常斑痕可能是由于葉輪與殼體的間隙尺寸不當及葉片邊緣存在的尖角、棱角形成了氣蝕損傷導致的。

2)損傷區(qū)域多為凹坑形貌，凹坑內壁光滑、潔凈，微觀塑性變形特征明顯是判斷氣蝕損傷發(fā)生的充分條件，是氣蝕損傷破壞的形貌表征。