發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇靜子葉片裂紋失效分析

李 洋 ， 邱 豐 ， 佟文偉

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

風(fēng)扇葉片是航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的最具有代表性的重要零件[1-2]，它的質(zhì)量及工作好壞將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率、安全性和可靠性產(chǎn)生直接的影響[3-4]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作環(huán)境惡劣，其出現(xiàn)裂紋失效的概率也相對(duì)較高[5-6]。目前在葉片失效案例中，機(jī)械疲勞失效所占的比重較大[7-8]，該失效模式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的危害很大。因此，當(dāng)葉片在工作過(guò)程中出現(xiàn)裂紋時(shí)，及時(shí)找出裂紋產(chǎn)生的根源，對(duì)排除該類故障并預(yù)防其再次發(fā)生有著非常重要的意義。

發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇靜子葉片和風(fēng)扇機(jī)匣均選用了TC4鈦合金，采用鍛造方法制造，風(fēng)扇靜子葉片上緣板和機(jī)匣通過(guò)電子束焊連接。在經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后，檢查發(fā)現(xiàn)多片風(fēng)扇靜子葉片上緣板排氣邊轉(zhuǎn)接區(qū)域出現(xiàn)裂紋。針對(duì)這次裂紋故障，采用了外觀檢查、斷口分析、表面形貌檢查、截面金相檢查、材質(zhì)組織分析、斷口區(qū)域成分分析和斷口源區(qū)組織檢查等技術(shù)分析手段，同時(shí)又對(duì)葉片上緣板排氣邊轉(zhuǎn)接區(qū)域的振動(dòng)應(yīng)力分布進(jìn)行了計(jì)算，從而確定了風(fēng)扇靜子葉片裂紋的性質(zhì)，分析了裂紋故障產(chǎn)生的機(jī)理，并為以后消除該類故障提供了改進(jìn)建議。

1 檢查與分析結(jié)果

1.1 外觀檢查

圖 1 風(fēng)扇靜子葉片裂紋宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of cracks in fan stator blades

故障葉片裂紋部位的宏觀圖像如圖1 所示。裂紋出現(xiàn)在葉片上緣板排氣邊轉(zhuǎn)接區(qū)域靠近焊縫處，如圖1 中箭頭所指。

1.2 斷口分析

故障葉片裂紋斷口宏觀形貌如圖2 所示。斷口呈灰色，較平緩，呈現(xiàn)清晰的疲勞弧線和放射棱線特征，表明故障葉片斷口為疲勞斷口[9]。根據(jù)疲勞弧線及放射棱線的方向判斷，疲勞起源于機(jī)匣外環(huán)內(nèi)側(cè)葉片上緣板排氣邊轉(zhuǎn)接區(qū)域與機(jī)匣焊接部位附近，如圖2 中箭頭所指。斷口疲勞擴(kuò)展充分。

圖 2 裂紋斷口宏觀形貌Fig.2 Appearance of fracture surface

在掃描電鏡下觀察，斷口疲勞源區(qū)附近較平坦，可見(jiàn)清晰的疲勞弧線和放射棱線形貌，且放射棱線匯聚于機(jī)匣外環(huán)內(nèi)側(cè)表面，宏觀位置為葉片上緣板排氣邊轉(zhuǎn)接區(qū)域，靠近焊縫處，這進(jìn)一步表明疲勞起源于機(jī)匣外環(huán)內(nèi)側(cè)葉片上緣板排氣邊轉(zhuǎn)接區(qū)域與機(jī)匣焊接部位附近，呈線源特征，源區(qū)未見(jiàn)明顯的冶金缺陷，如圖3 所示。進(jìn)一步放大觀察，裂紋斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)清晰、細(xì)密的疲勞條帶，如圖4 所示。這進(jìn)一步表明，故障葉片裂紋性質(zhì)為高周疲勞裂紋[10]。

1.3 表面檢查

利用掃描電子顯微鏡對(duì)故障葉片斷口疲勞源區(qū)附近表面進(jìn)行放大觀察，如圖5 所示，源區(qū)附近表面可見(jiàn)明顯的機(jī)械加工痕跡，但是機(jī)械加工痕跡與源區(qū)成一定角度，無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系；并且源區(qū)附近未見(jiàn)明顯的損傷形貌。說(shuō)明裂紋的萌生與機(jī)械加工和外物損傷無(wú)直接關(guān)系。

1.4 金相組織檢查

在葉片上緣板和焊接區(qū)域分別取試樣，進(jìn)行金相組織檢查，結(jié)果見(jiàn)圖6。上緣板組織主要為α+β 雙態(tài)組織，符合標(biāo)準(zhǔn)要求；焊接區(qū)域由于電子束焊的影響，為魏氏組織，導(dǎo)致該處的抗疲勞性能下降。

圖 3 斷口源區(qū)形貌Fig.3 Appearance of fracture source region

圖 4 斷口擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶Fig.4 Fatigue striations of extension region

圖 5 斷口源區(qū)附近表面形貌Fig.5 Appearance of fracture surface

圖 6 斷口附近區(qū)域組織Fig.6 Metallurgical structure of the region near the fracture

對(duì)斷口源區(qū)解剖進(jìn)行金相組織檢查，結(jié)果見(jiàn)圖7。電子束焊的熱影響區(qū)已經(jīng)越過(guò)葉片排氣邊上緣板的轉(zhuǎn)接區(qū)域，進(jìn)入葉片基體。放大觀察斷口源區(qū)，組織由α+β 雙態(tài)組織變?yōu)槲菏辖M織，使得葉片排氣邊上緣板轉(zhuǎn)接區(qū)域的抗疲勞性能下降，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，會(huì)促進(jìn)葉片排氣邊上緣板轉(zhuǎn)接區(qū)域靠近焊縫處過(guò)早出現(xiàn)裂紋。

1.5 硬度檢查

從故障葉片上緣板裂紋斷口附近區(qū)域取樣，進(jìn)行硬度測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 振動(dòng)應(yīng)力分布計(jì)算

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，風(fēng)扇靜子葉片受到氣動(dòng)載荷和振動(dòng)載荷的共同作用。因此振動(dòng)微分方程表示為：

圖 7 斷口源區(qū)組織形貌Fig.7 Metallurgical structure of the fracture source region

表 1 裂紋斷口附近基體硬度測(cè)試結(jié)果Table 1 Result of micro hardness test

其中， ?4為直角坐標(biāo)系中的二重Laplace 算子，D 為葉片上緣板的抗彎剛度。上緣板的厚度為h，材料密度為ρ，彈性模量為E，泊松比為μ。

根據(jù)式(1)、式(2)和式(3)，可得到風(fēng)扇靜子葉片上緣板排氣邊轉(zhuǎn)接區(qū)域一階振動(dòng)應(yīng)力分布情況，如圖8 所示。從中可以看出，葉片上緣板排氣邊轉(zhuǎn)角區(qū)域的應(yīng)力最大，即該轉(zhuǎn)角處易形成應(yīng)力集中。

圖 8 轉(zhuǎn)接區(qū)域一階振動(dòng)應(yīng)力分布圖Fig.8 Stress distribution of the corner region

3 分析與討論

通過(guò)斷口分析可知，故障風(fēng)扇靜子葉片裂紋屬于疲勞裂紋，疲勞起源于機(jī)匣外環(huán)內(nèi)側(cè)葉片上緣板排氣邊轉(zhuǎn)接區(qū)域，靠近焊縫處，呈線源特征；斷口較平緩，疲勞擴(kuò)展充分，并且微觀檢查發(fā)現(xiàn)疲勞擴(kuò)展區(qū)存在清晰、細(xì)密的疲勞條帶，說(shuō)明故障葉片裂紋為振動(dòng)載荷導(dǎo)致的高周疲勞裂紋[11-12]。

通過(guò)掃描電鏡背散射檢查可知，斷口源區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷。對(duì)故障葉片的材質(zhì)分析結(jié)果表明，葉片材料成分符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，組織也未見(jiàn)異常。上述結(jié)果表明故障葉片裂紋的產(chǎn)生應(yīng)與冶金缺陷及材質(zhì)無(wú)關(guān)。

通過(guò)對(duì)斷口疲勞源區(qū)附近表面進(jìn)行放大觀察可知，斷口源區(qū)與機(jī)械加工痕跡成一定角度，無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。并且源區(qū)附近未見(jiàn)明顯的損傷形貌，說(shuō)明裂紋的產(chǎn)生與機(jī)械加工和外物損傷無(wú)直接關(guān)系。

故障葉片斷口上存在的周期性疲勞弧線為低頻率載荷譜作用留下的痕跡，其對(duì)應(yīng)的是發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)?停車循環(huán)，該載荷譜對(duì)應(yīng)故障葉片上的應(yīng)力為穩(wěn)態(tài)應(yīng)力，即σm。而在疲勞弧線間存在的疲勞輝紋則是高頻交變載荷作用留下的塑性變形跡線，它所對(duì)應(yīng)的則是作用在故障葉片上的振動(dòng)載荷σa。由于故障葉片裂紋為機(jī)械疲勞裂紋，根據(jù)古德曼定則有：

式中，n 為安全系數(shù)，kf為應(yīng)力集中系數(shù)，σ-1和σ0.2分別為材料在給定溫度下的疲勞極限和屈服極限。由式(4)可知，故障葉片裂紋失效主要取決于σa、σm、σ-1、σ0.2和kf，而葉片的成分、硬度、組織均未見(jiàn)明顯異常，即σ-1和σ0.2應(yīng)在該材料的規(guī)定范圍內(nèi)，σm為穩(wěn)態(tài)應(yīng)力，kf與材料缺陷有關(guān)，故安全系數(shù)n 同應(yīng)力集中系數(shù)kf和葉片受到的振動(dòng)載荷σa有密切的關(guān)系[13-15]。

通過(guò)對(duì)故障葉片斷口宏觀檢查可知，故障葉片裂紋源區(qū)出現(xiàn)的位置為機(jī)匣外環(huán)內(nèi)側(cè)葉片上緣板排氣邊轉(zhuǎn)接區(qū)域，靠近焊縫處，通過(guò)應(yīng)力計(jì)算可知轉(zhuǎn)接處的應(yīng)力最大，同時(shí)該處又易形成應(yīng)力集中[16]。由于上緣板排氣邊轉(zhuǎn)接處距焊縫太近，焊接熱影響區(qū)越過(guò)葉片排氣邊上緣板的轉(zhuǎn)接區(qū)域，進(jìn)入葉片基體，導(dǎo)致轉(zhuǎn)接處組織發(fā)生變化，使該區(qū)域的抗疲勞性能下降及應(yīng)力集中系數(shù)kf的增加，使得該部位易萌生疲勞裂紋。同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，葉片將不可避免的受到振動(dòng)載荷σa的作用，也會(huì)促使疲勞裂紋的萌生。因此，以上兩個(gè)因素導(dǎo)致高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片安全系數(shù)n 下降，即葉片使用可靠性被大大降低了。

綜上所述，焊接熱影響區(qū)越過(guò)葉片排氣邊上緣板的轉(zhuǎn)接區(qū)域，進(jìn)入葉片基體，導(dǎo)致轉(zhuǎn)接處組織發(fā)生變化，致使葉片應(yīng)力集中區(qū)域的抗疲勞性能下降是葉片過(guò)早產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因，葉片工作時(shí)的振動(dòng)載荷對(duì)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展有促進(jìn)作用。

4 預(yù)防與改進(jìn)

對(duì)故障葉片的深入分析表明，焊接熱影響區(qū)越過(guò)葉片排氣邊上緣板的轉(zhuǎn)接區(qū)域，進(jìn)入葉片基體，導(dǎo)致轉(zhuǎn)接處組織發(fā)生變化對(duì)風(fēng)扇葉片出現(xiàn)裂紋故障起著重要作用。因此，為了提高風(fēng)扇靜子葉片的使用可靠性，避免類似故障再次發(fā)生，應(yīng)針對(duì)該因素采取相應(yīng)的改進(jìn)措施[17-18]。

在加工葉片時(shí)，增加葉片上緣板排氣邊轉(zhuǎn)接區(qū)域與焊縫的距離，避免焊接熱影響區(qū)進(jìn)入轉(zhuǎn)角應(yīng)力集中區(qū)域?qū)е氯~片抗疲勞性能下降。風(fēng)扇靜子葉片經(jīng)過(guò)上述建議改進(jìn)后，在隨后的長(zhǎng)時(shí)間試車中，再無(wú)類似的故障發(fā)生。

5 結(jié)論

1）發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇靜子葉片裂紋為疲勞裂紋，疲勞起源于葉片上緣板排氣邊轉(zhuǎn)接區(qū)域，靠近焊縫處，呈線源特征。

2）焊接熱影響區(qū)越過(guò)葉片排氣邊上緣板的轉(zhuǎn)接區(qū)域，進(jìn)入葉片基體，導(dǎo)致轉(zhuǎn)接區(qū)域組織變化是風(fēng)扇靜子葉片過(guò)早萌生疲勞裂紋的主要原因；葉片受到的振動(dòng)載荷對(duì)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展有促進(jìn)作用。

3）故障葉片裂紋的產(chǎn)生與葉片的材質(zhì)無(wú)關(guān)。