發(fā)動機高壓壓氣機轉(zhuǎn)子葉片斷裂分析

李業(yè)欣，張銀東，張鑫佳

(中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司，沈陽 110043)

0 引言

發(fā)動機高壓壓氣機葉片是發(fā)動機的關(guān)鍵部件，其工作環(huán)境惡劣，葉片出現(xiàn)裂紋的概率也相對較高[1-2]。壓氣機在工作過程中，轉(zhuǎn)子葉片承受機械離心力及其彎矩、熱負(fù)荷和振動負(fù)荷等復(fù)雜應(yīng)力的共同作用，由于高速旋轉(zhuǎn)、數(shù)量多、形體單薄，以及載荷、工況復(fù)雜，使其成為發(fā)動機使用和試驗中故障率最高的零部件之一，其質(zhì)量及可靠性對發(fā)動機的工作效率、安全性和可靠性都產(chǎn)生直接影響[3-5]。為了減輕重量，第三代發(fā)動機壓氣機盤片大多采用鈦合金制造，鈦合金具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，組織形態(tài)對疲勞性能有很大影響。發(fā)動機葉片在試車或試驗中經(jīng)常發(fā)生斷裂情況，對于導(dǎo)致壓氣機葉片斷裂的原因，許多學(xué)者做了大量的研究分析，基本上可以分為外部原因和葉片自身原因，包括材料冶金缺陷、傳動中氣動失諧、外物打傷、腐蝕缺陷或是加工等原因[6-8]；因此，對于轉(zhuǎn)子葉片的材質(zhì)和制造工藝應(yīng)提出嚴(yán)格的要求。

該高壓第二級轉(zhuǎn)子葉片材料為TA11(Ti811)鈦合金，毛坯為模鍛件，試車中屬首次發(fā)生斷裂。本研究通過外觀檢查、斷口分析、表面檢查、材質(zhì)分析等手段，對高壓二級轉(zhuǎn)子葉片的斷裂原因進行分析，找出導(dǎo)致葉片發(fā)生開裂的主要原因，預(yù)防事故的再次發(fā)生。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 外觀觀察

高壓壓氣機第二級轉(zhuǎn)子葉片斷裂部位宏觀形貌見圖1。該斷裂位置在葉片根部轉(zhuǎn)接R上方，距下緣板約3 mm處。葉身表面宏觀未見異常損傷。

1.2 斷口宏觀分析

高壓壓氣機第二級轉(zhuǎn)子葉片斷口宏觀形貌見圖2，可見明顯的疲勞弧線、疲勞源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)，表明葉片斷裂為疲勞斷裂。從疲勞弧線可以判斷裂紋起始于葉背中部區(qū)域，疲勞起源部位較為平直，寬度約為9 mm。靠近葉片進、排氣邊的斷口粗糙，為瞬斷斷口，其面積約占葉片斷口面積的30%。

圖1 故障葉片宏觀形貌Fig.1 Appearance of the failed blade

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macro-appearance of the fracture surface

從圖2可以看出，第一條疲勞弧線較其他疲勞弧線顏色深，痕跡更清晰，該弧線不像其余弧線那么圓滑連續(xù)，而是由2條弧線相交形成了一個交匯點，兩弧線分別對應(yīng)2個疲勞源，交匯點下面對應(yīng)的黑線為斷裂臺階。表明疲勞由2個主源區(qū)起始，2個裂紋擴展到第一條弧線后匯合成1條裂紋。

斷口附近未見明顯塑性變形，但在斷口下方葉盆側(cè)及葉背側(cè)2個表面低倍觀察均有裂紋。葉背表面主源區(qū)下方0.28 mm處有一條明顯的平行于斷口的拋光痕，在拋光痕上可見裂紋(圖3a)。葉盆表面拋光痕不明顯，在葉盆中部斷口下方約0.5 mm處有一條長約1 mm的裂紋(圖3b)。主源區(qū)由2條裂紋起始，屬于多源疲勞，主源區(qū)下面還有平行于斷面的裂紋，說明疲勞起始應(yīng)力較大。

1.3 斷口微觀分析

在掃描電鏡下觀察斷口，2個疲勞源區(qū)形貌見圖4a，疲勞條帶距源區(qū)較近(約10 μm)，可見放射棱線從表面起始，說明疲勞起始應(yīng)力較高，源區(qū)未見冶金缺陷。2個疲勞起始區(qū)均呈線源特征，其內(nèi)部還可觀察到多個小的疲勞源；進一步放大觀察發(fā)現(xiàn)斷面發(fā)生嚴(yán)重碰磨(圖4b)。源區(qū)除了碰磨特征外，局部還可見疲勞條帶特征，疲勞條帶間距較小(圖4c)。

圖3 裂紋形貌Fig.3 Crack morphology

1.4 斷口側(cè)表面觀察

斷口源區(qū)葉背側(cè)表面形貌見圖5a，表面有噴丸痕跡。宏觀上2個平直的源區(qū)在臺階兩側(cè)斷口并不共面，二者高度差約100 μm。微觀上證明了2個疲勞源是相對獨立的2條裂紋。平行于斷口的拋光痕上有3段裂紋，與主斷口的裂紋一樣，放大后觀察發(fā)現(xiàn)裂紋并不平直，這可能與葉片表面經(jīng)過噴丸有關(guān)；斷口源區(qū)葉盆側(cè)表面形貌見圖5b，表面有噴丸痕跡。在葉盆面中部斷口下方發(fā)現(xiàn)數(shù)量較多的裂紋，最長約1 mm。對其中開口較大的裂紋倒轉(zhuǎn)觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)有疲勞條帶特征，為疲勞開裂(圖6)。

斷口附近葉背側(cè)和葉盆側(cè)表面裂紋的出現(xiàn)，說明葉根附近受到了較大的張應(yīng)力作用，這些裂紋應(yīng)不是葉片正常工作應(yīng)力產(chǎn)生的。

1.5 葉片材質(zhì)分析

選取與故障葉片同一加工批次的葉片進行化學(xué)成分分析，結(jié)果顯示葉片化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 斷口宏觀形貌Fig.4 Micromorphology of the fracture surface

圖5 表面裂紋形貌Fig.5 Surface crack morphology

圖6 葉盆側(cè)裂紋特征Fig.6 Cracks of the blade basin side

按標(biāo)準(zhǔn)要求，在Y4BB19葉片葉身距葉尖約15 mm處橫向切取金相試樣，觀察葉片金相組織。葉片金相組織，為等軸α+β轉(zhuǎn)組織，未見原始晶界，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求(圖7)。對葉片進行硬度測試，葉片硬度為HB 3.44～3.47，符合標(biāo)準(zhǔn)HB 3.2～3.7要求。

圖7 葉片金相組織Fig.7 Microstructure of the failed blade

1.6 葉片加工質(zhì)量檢查

1)葉身型面尺寸檢查。

對故障葉片和同批的其他葉片進行型面尺寸檢查。由于故障葉片葉身斷口以上部分丟失，剩余部分葉身不在控制截面上，故增加葉身根部(高度距緣板3.3 mm)非控制截面型面測量。測量位置距緣板3.1～3.3 mm，將故障葉片型面與其他葉片和理論型面進行對比。

測量故障葉片根部截面型面，與同臺發(fā)動機另外8片同機加批葉片相比略?。粶y量的葉片前后緣存在方頭、平頭現(xiàn)象。

2)葉身表面加工形貌檢查。

分別對故障葉片、14片與故障件同機加批葉片、10片與故障件不同機加批葉片的葉背根部表面進行掃描電鏡檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：故障葉片斷裂部位葉背側(cè)表面加工痕跡最明顯，程度最重且位于葉背中部；故障葉片與故障葉片同機加批的14片葉片中，部分葉片局部可見橫向加工痕跡，但程度均輕于故障葉片；故障葉片與故障葉片不同機加批的10片中，部分葉片可見橫向加工痕跡，但程度均輕于故障葉片。

葉片表面的噴丸覆蓋率大于100%；個別葉片局部表面可見到拋光痕跡；與其他葉片比較，故障葉片葉背表面拋光痕跡較重(圖8)。

圖8 故障葉片葉背表面 Fig.8 Back side surface of the failed blade

1.7 表面殘余應(yīng)力測試

對故障葉片、與故障葉片同鍛造批的新葉片以及工作300 h的第二級轉(zhuǎn)子葉片做表面殘余應(yīng)力測試，結(jié)果見表1。故障葉片表面殘余應(yīng)力低可能是因為故障后葉片受損傷所致。

表1 葉片表面殘余應(yīng)力結(jié)果Table 1 Residual stress testing results of blades MPa

1.8 葉尖打傷分析

從檢查二級轉(zhuǎn)子葉片葉尖端面中發(fā)現(xiàn)，與故障葉片緊挨的13件葉片的葉尖處存在明顯的連續(xù)的由葉盆側(cè)彎向葉背側(cè)的弧形凹坑(圖9)，這些弧形凹坑大小基本相當(dāng)。從圖9可以看出，葉尖部位有明顯的故障后非正常摩擦痕跡，凹坑處的葉尖端面由于變形低于葉尖其他部位而沒有被摩擦，凹坑端面是在故障發(fā)生前就已形成，二級轉(zhuǎn)子葉片葉尖在故障發(fā)生前已被打傷。

圖9 打傷葉尖放大形貌 Fig.9 Damage appearance of the blade tip

2 分析與討論

斷口的宏觀、微觀觀察表明：葉片為疲勞斷裂，疲勞起源于葉背中根部表面；裂紋擴展初期疲勞條帶間距細(xì)密，說明葉片斷口具有高周疲勞特征[9-10]。主源區(qū)有2個線源，每個線源內(nèi)部還有若干個小疲勞源，表明主裂紋為多源疲勞起始。主源區(qū)斷口附近葉背側(cè)表面上還有一條大致平行于斷面的裂紋，說明裂紋疲勞起始應(yīng)力較大。

主源區(qū)斷口平直，呈線源特征，但2個線源并不共面，在中間有一個臺階，表明裂紋未在葉背中間先開裂，而在臺階兩側(cè)形成了線源，2個線源宏觀上與拋光痕跡有一定的對應(yīng)關(guān)系。說明位于葉背中根部的拋光痕對裂紋的起始有一定貢獻(xiàn)。形成兩個線源是因為葉背經(jīng)過兩個角度拋光，在葉背中間留下沒有完全對接的拋光痕所致。

從葉片損傷件檢查得知，有14件葉片葉尖都已被打傷，疲勞起始應(yīng)力較大與葉片的葉尖被打傷有關(guān)，但除故障葉片外，其余13件在葉身上都沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，說明葉尖被打傷不是造成疲勞裂紋產(chǎn)生的唯一原因。

葉片經(jīng)過精鍛→銑切→拋光→噴丸→振動光飾工序，表面不應(yīng)存在拋光痕跡。通過對葉片表面殘余應(yīng)力測試和噴丸覆蓋率檢查發(fā)現(xiàn)，雖然葉片表面覆蓋率達(dá)到了要求，但仍在一些葉片上看到拋光痕跡，可能是粗拋光痕跡較深，在精拋工序后進行噴丸工序，使用玻璃丸噴丸的葉片表面，彈丸的壓痕將比較淺的拋光痕覆蓋形成坑狀，對于比較深的拋光痕及較小角度的微觀區(qū)域，彈丸是無法達(dá)到的。

由于鈦合金零件的疲勞抗力對表面損傷和缺陷具有很大的敏感性，在加工過程中葉身表面殘留了拋光痕跡，導(dǎo)致該區(qū)域抗疲勞性能下降及應(yīng)力集中系數(shù)增加，使得該部位易萌生疲勞裂紋，在振動載荷的作用下裂紋萌生和擴展。

綜上所述，分析認(rèn)為：故障葉片的葉背處有明顯的拋光痕跡，致使葉片的抗疲勞性能下降，再加上葉尖被外來物打傷受到?jīng)_擊，導(dǎo)致葉片疲勞裂紋的萌生和擴展。

3 結(jié)論

1)高壓壓氣機二級轉(zhuǎn)子葉片斷裂性質(zhì)為多源高周疲勞斷裂，疲勞起始于葉背中根部表面，起始應(yīng)力較大。

2)源區(qū)未見冶金缺陷，葉片化學(xué)成分、金相組織、硬度檢查符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)葉尖被外來物打傷受到?jīng)_擊是疲勞起始應(yīng)力大的原因之一。

4)葉片振動應(yīng)力最大區(qū)表面殘留有明顯的原始機械加工痕跡，是導(dǎo)致葉片萌生疲勞裂紋的主要原因，改善葉身的表面完整性，可有效避免類似故障。