發(fā)動機(jī)低壓Ⅰ級渦輪葉片榫頭斷裂分析與預(yù)防

陶 敏，歐陽雪珍，王曉娟，洪 力

(1．襄陽航泰動力機(jī)器廠，湖北襄陽441002;2．國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，長沙410073)

0 引言

葉片是航空發(fā)動機(jī)的重要零件，由于其工作環(huán)境惡劣，出現(xiàn)斷裂的概率相對較高［1-4］。榫頭處斷裂失效帶來的危害最大，王小飛等［5-8］對渦輪葉片榫頭/渦輪槽接觸配合間隙的影響進(jìn)行研究，闡述了葉片榫頭尺寸/跨棒距設(shè)計與控制是葉片榫頭疲勞斷裂失效的關(guān)鍵因素。葉片榫頭尺寸/跨棒距的問題一般分為3類:一是設(shè)計不當(dāng)，特別是由于材料以及熱膨脹系數(shù)的差異，導(dǎo)致在不同溫度下工作時榫頭接觸不良;二是加工控制過程中的公差所致;三是葉片的其他工藝導(dǎo)致榫頭接觸部位偏離設(shè)計要求。

發(fā)動機(jī)經(jīng)返廠后分解檢查，發(fā)現(xiàn)低壓I級渦輪葉片榫頭轉(zhuǎn)接R處根部發(fā)生斷裂，渦輪葉片材質(zhì)為K403鑄造高溫合金。故障葉片發(fā)生在裝機(jī)使用80 h 41 min后，總使用時間1 329 h 59 min。葉片疲勞斷裂失效件很多，但葉片榫頭出現(xiàn)可能性很少。本研究對斷口葉片的外觀、斷口宏觀及微觀進(jìn)行檢查分析，找出葉片榫頭斷裂原因并提出改進(jìn)建議，對今后渦輪葉片榫頭尺寸/跨棒距失效及預(yù)防具有深遠(yuǎn)的意義。

1 試驗過程與結(jié)果

1．1 外觀檢查

低壓I級渦輪葉片從第一榫齒與伸根段轉(zhuǎn)接R處發(fā)生斷裂，趨近于榫槽根部，距榫頭頭部約8 mm，殘留斷裂葉片無葉冠及葉身(圖1)。

圖1 葉片斷裂整體外觀Fig．1 Overall appearance of blade fracture

1．2 斷口分析

宏觀觀察可見，斷口較齊平，斷口附近無明顯的塑性變形。斷口可分為疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)兩部分:疲勞區(qū)位于榫槽根部，面積約占整個斷口面積的60%，該區(qū)有明顯的放射棱線和疲勞弧線;瞬斷區(qū)呈灰色，形貌粗糙(圖2)。

圖2 葉片榫頭斷口宏觀形貌圖Fig．2 Macroscopic appearance of blade tenon fracture

將斷口用超聲波清洗后在掃描電鏡下進(jìn)行微觀觀察，疲勞裂紋主要起始于榫槽根部，為多源線性疲勞斷裂(圖3)，疲勞擴(kuò)展區(qū)有明顯、致密的疲勞弧線和條帶特征(圖4)。瞬斷區(qū)形貌為韌窩特征。葉片斷口起源可見表面滲層厚度約為54 μm。葉片榫頭榫齒面均有明顯的微動磨損特征，未見其他異常。

1．3 金相組織分析

抽取發(fā)動機(jī)2片葉片進(jìn)行金相檢查發(fā)現(xiàn)，γ'相形狀均為方形，排列規(guī)則，分布均勻，未見過熱過燒特征(圖5)。

圖3 疲勞源區(qū)Fig．3 Fatigue source area

圖4 疲勞擴(kuò)展區(qū)微觀形貌Fig．4 Micro morphology of the extension zone

1．4 能譜分析

對葉片榫頭制樣，拋光態(tài)進(jìn)行能譜分析，對比滲鋁層、擴(kuò)散層、基體及K403成分標(biāo)準(zhǔn)要求，滲層組織中的Al含量大于24%(表1)。

圖5 葉片顯微組織Fig．5 Microstructure of blade

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Results of chemical composition analysis(mass fraction/%)

1．5 疲勞模擬試驗

由于渦輪葉片承受多項載荷(如離心力、氣流、溫度及機(jī)械振動等)［9-10］，針對滲鋁葉片榫頭跨棒距尺寸對壽命的影響開展研究。在實驗室模擬發(fā)動機(jī)低壓I級渦輪工作葉片實際工作環(huán)境的應(yīng)力、溫度等載荷條件下，對其開展高低周復(fù)合疲勞試驗研究。

根據(jù)理論有限元模型計算，最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片轉(zhuǎn)接R處;葉片發(fā)生故障時，故障部位位于葉片榫頭轉(zhuǎn)接R處。結(jié)合理論計算和故障葉片分析，確定低壓I級渦輪工作葉片考核部位為葉片轉(zhuǎn)接R處。

滲鋁層厚度為30 μm，跨棒距合格，已使用1000 h的葉片技術(shù)壽命與已使用1 250 h和已使用1500 h未滲鋁葉片的技術(shù)壽命差別不大;滲鋁層厚度為30μm，跨棒距超差，已使用1000h的葉片技術(shù)壽命比已使用1 250 h未滲鋁葉片技術(shù)壽命下降39．8%循環(huán)，比已使用1 500 h未滲鋁葉片技術(shù)壽命下降29．2%循環(huán)。

2 分析與討論

2．1 疲勞斷裂產(chǎn)生的原因

從葉片斷口形貌能夠看出，裂紋的擴(kuò)展具有明顯的疲勞擴(kuò)展棱線和疲勞弧線［11］，為典型的疲勞斷裂。對裂紋源區(qū)的檢查發(fā)現(xiàn)，裂紋具有明顯的線性源區(qū)特征，源區(qū)表面滲鋁層厚度約為54 μm，對比工藝文件，葉片榫頭不允許進(jìn)行滲鋁?，F(xiàn)場工藝檢查，發(fā)現(xiàn)榫頭防護(hù)不當(dāng)，導(dǎo)致榫頭可能被滲鋁層污染，進(jìn)一步說明榫頭滲鋁對葉片疲勞斷裂造成影響。經(jīng)金相檢查，γ'相形狀均為方形，未見過熱過燒特征，說明葉片組織正常;經(jīng)能譜成分檢測，除榫頭表面有滲鋁層，未見其他明顯異常情況;檢查榫頭跨棒距尺寸超上限，加劇葉片疲勞壽命的降低。

葉片榫頭滲鋁污染導(dǎo)致榫頭尺寸變大，榫頭跨棒距超過上限值，發(fā)動機(jī)在滲鋁前測量跨棒距，滲鋁后未對跨棒距進(jìn)行測量，導(dǎo)致跨棒距超過上限值的葉片投入使用。

2．2 跨棒距對疲勞斷裂的影響

葉片榫頭跨棒距超差，是滲鋁工藝本身榫頭防護(hù)手段不當(dāng)引起的，導(dǎo)致葉片榫頭受到擠壓，葉片局部應(yīng)力集中，容易形成疲勞源。

通過對單個葉片、成對葉片的靜力計算分析和模態(tài)計算分析，可知:當(dāng)葉片榫齒尺寸(即跨棒距)合格時，榫頭伸根段轉(zhuǎn)接R處靜應(yīng)力和振動應(yīng)力最大;當(dāng)榫頭第二榫齒裝配較緊時，第一榫槽處靜應(yīng)力和振動應(yīng)力最大;當(dāng)榫頭第一榫齒和第二榫齒裝配都比較緊時，榫頭轉(zhuǎn)接R處靜應(yīng)力和振動應(yīng)力最大。這說明若葉片榫頭跨棒距不合格，第一榫齒處、榫頭轉(zhuǎn)接R處都可能為最大應(yīng)力區(qū)，第一榫齒也可能發(fā)生疲勞斷裂。因此，滲鋁工序后建議增加跨棒距測量，對第一榫齒、榫頭轉(zhuǎn)接R處進(jìn)行裂紋檢查。

2．3 滲鋁層對疲勞斷裂的影響

從疲勞源的特征來看，榫頭斷口為多源疲勞斷裂，而且每個疲勞源都是線源，源區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)冶金缺陷、工藝缺陷、再結(jié)晶等誘發(fā)因素［11］。因此，可以推斷，產(chǎn)生榫頭斷裂/裂紋故障的起始應(yīng)力較大，在榫頭斷裂部位出現(xiàn)了難以承受的大應(yīng)力，導(dǎo)致誘發(fā)多條微裂紋，最終導(dǎo)致榫頭發(fā)生多源疲勞斷裂。

滲鋁層主要作用是提高葉片的抗氧化腐蝕能力，但存在一定脆性傾向，在提高葉片抗高溫氧化腐蝕能力的同時，對其抗疲勞性能存在一定負(fù)面影響。硬脆的滲鋁層會降低葉片材料的過負(fù)荷持久值，容易引起葉片過載損傷，使?jié)B層崩裂，形成表面微裂紋，誘發(fā)疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展［12］。能譜成分分析表明，在榫頭斷裂起源部位均有滲鋁層存在。雖然工藝要求榫頭部位不進(jìn)行滲鋁，但實際上，經(jīng)過制造、修理幾次后，故障發(fā)動機(jī)葉片榫頭R轉(zhuǎn)接處產(chǎn)生了厚度為30～50 μm的滲鋁層，為葉片發(fā)生斷裂埋下隱患。

2．4 高低周復(fù)合疲勞試驗?zāi)M

發(fā)動機(jī)渦輪葉片在外場飛行時的工作環(huán)境非常復(fù)雜，在實驗室研究渦輪葉片的疲勞壽命時，不可能完全模擬整個葉片實際工作時的環(huán)境。葉片在實際使用過程中，其壽命是由薄弱部位的壽命來決定的，只要試驗時能模擬出其薄弱部位的載荷特征，就可以得到實驗室條件下的壽命，通過載荷譜的等損傷換算，得到葉片在外場工作條件下的技術(shù)壽命。

據(jù)相關(guān)研究資料表明，滲鋁層厚度越深，葉片技術(shù)壽命下降越明顯;滲鋁層深度不超過20 μm時，對葉片疲勞壽命影響不大;滲鋁層深度在30 μm左右時，葉片疲勞壽命降低約30%;滲鋁層深度大于40 μm時，滲鋁層成為微裂紋萌生并快速擴(kuò)展的主要因素。另外，對9臺返廠發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行剖片處理，發(fā)現(xiàn)跨棒距合格的葉片榫頭滲鋁層深度均在30 μm以內(nèi)。因此，選取葉片榫頭滲鋁層深度為30 μm作為模擬疲勞試驗的考核點，高低周復(fù)合疲勞試驗作為葉片后期使用技術(shù)壽命評判的重要依據(jù)。

3 結(jié)論與建議

1)葉片斷口性質(zhì)為多源線性疲勞斷裂，疲勞裂紋起源于榫槽根部。

2)根據(jù)模擬疲勞試驗的結(jié)果可以判斷，葉片榫頭有滲鋁層將會減弱葉片的抗疲勞性能。

3)導(dǎo)致故障葉片產(chǎn)生疲勞斷裂的原因是榫頭防護(hù)不當(dāng)，產(chǎn)生一定深度的滲鋁層，減弱了葉片的抗疲勞性能，使發(fā)動機(jī)葉片在交變應(yīng)力的作用下產(chǎn)生疲勞裂紋。

4)鑒于滲鋁工藝可能造成批次性問題，建議滲鋁工藝采用嚴(yán)格的防護(hù)手段保護(hù)葉片榫頭。

5)滲鋁工序后建議增加跨棒距測量，對第一榫齒、榫頭轉(zhuǎn)接R處進(jìn)行裂紋檢查。

6)對于滲鋁層厚度為30 μm以內(nèi)、跨棒距合格的發(fā)動機(jī)葉片，可以使用。