TC17 鈦合金壓氣機(jī)鼓筒篦齒裂紋分析研究

劉麗玉 ， 張銀東 ， 高翔宇 ， 劉昌奎

（1. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3. 航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4. 材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；5. 沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

0 引言

鈦合金以高的比強(qiáng)度和良好的抗蝕性能在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]，尤其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，降低發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，使用輕質(zhì)耐高溫鈦合金材料是提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的重要手段，鈦合金用量也因此成為衡量發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一[3] 。國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量一般在25%以上[4]，如V2500 發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量達(dá)到31%。鈦合金作為結(jié)構(gòu)材料，很適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及其他航空構(gòu)架的結(jié)構(gòu)材料，隨著航空技術(shù)的發(fā)展，鈦合金不斷地取代鋁合金、鎂合金及鋼構(gòu)件，目前先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、壓氣機(jī)葉片和風(fēng)扇葉片以及機(jī)匣等均由鈦合金制造，甚至實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)全鈦化[5]。

在壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，壓氣機(jī)的氣路密封即轉(zhuǎn)靜子的徑向間隙大小對(duì)壓氣機(jī)的效率、功率和耗油率影響極大[6]，如葉尖間隙與葉片長度比值每增加1%，大直徑風(fēng)扇的壓氣機(jī)的效率損失則增大2%。作為多級(jí)的壓氣機(jī)裝置，壓氣機(jī)的效率直接與每一級(jí)同它上一級(jí)隔離的效率有關(guān)，保持通過每一級(jí)的氣流壓力差是獲得高效率的關(guān)鍵，因此，要盡量減小轉(zhuǎn)靜子之間的間隙[7]。但如果間隙過小，則可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜子部件之間的刮磨損傷。在很多實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，由于未考慮到轉(zhuǎn)靜子材料的熱膨脹率不同，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)離心力引起的葉片伸長等因素，設(shè)計(jì)預(yù)留的間隙過小，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)葉片磨損、涂層材料粘附葉片等嚴(yán)重威脅發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全的問題[8-9]。隨著高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)中鈦合金用量的提高，不管是鈦合金作為轉(zhuǎn)子部件還是靜子部件，一旦刮磨，鈦合金熱導(dǎo)率低，導(dǎo)熱性能差，熱量不能被快速傳導(dǎo)和散失，使刮磨面局部迅速升溫，引起組織局部過熱過燒，導(dǎo)致零件局部抗力明顯下降，誘發(fā)零件疲勞斷裂[10-11]，嚴(yán)重情況下甚至引起鈦火[12-13]，鈦火一旦出現(xiàn)，蔓延迅速，造成非常嚴(yán)重的后果。

發(fā)動(dòng)機(jī)第二個(gè)壽命期到壽后返廠大修，熒光檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)TC17 鈦合金的高壓壓氣機(jī)一、二級(jí)盤組合件連接鼓筒的三道封嚴(yán)齒處有1 條目視可見裂紋。本研究采用目視和LEICA DMS 1000 體視顯微鏡對(duì)連接鼓筒裂紋情況（分布、形態(tài)及走向）進(jìn)行宏、微觀分析，采用CS3100 掃描電鏡對(duì)裂紋打開的斷口進(jìn)行分析，檢查鼓筒周向4 個(gè)位置的封嚴(yán)齒處的磨損及燒傷情況，分析榫齒熒光顯示的缺陷性質(zhì)和產(chǎn)生的原因，并提出解決措施。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 鼓筒磨損外觀及裂紋形貌分析

服役后的高壓壓氣機(jī)一、二級(jí)盤組件外觀顏色正常，一級(jí)盤榫槽表面顏色發(fā)黃，一級(jí)盤榫槽靠后到二級(jí)盤榫槽顏色發(fā)藍(lán)。在高壓壓氣機(jī)一、二級(jí)盤之間的連接鼓筒三道封嚴(yán)篦齒上，目視可見1 條長約20 mm 的裂紋，裂紋細(xì)小，軸向擴(kuò)展，穿透篦齒及鼓筒厚度（圖1）。在體視顯微鏡下觀察封嚴(yán)篦齒，還可見數(shù)條長度較短的裂紋，這些裂紋多數(shù)位于中間篦齒（第2 齒）上，長度均未擴(kuò)展至兩側(cè)的篦齒上，深度上從齒頂往齒根延伸，未穿透鼓筒厚度。

圖 1 高壓壓氣機(jī)一、二級(jí)盤及連接鼓筒外觀及裂紋形貌Fig.1 Morphology of first- and second-grade discs of high-pressure compressor, connecting drum, and crack

連接鼓筒封嚴(yán)篦齒原始表面有涂層（底層為鎳鋁涂層，面層為氧化鋁和氧化鈦涂層），出現(xiàn)裂紋的鼓筒能肉眼觀察到封嚴(yán)篦齒齒頂已露出基體金屬色，說明齒頂涂層完全被磨損（圖2）。從齒頂寬度上看，長裂紋處及附近的篦齒齒頂寬度最大，說明相比于其他位置，長裂紋處的篦齒磨損更為嚴(yán)重，這也表明整個(gè)周向齒頂磨損寬度明顯有差異。

1.2 連接鼓筒封嚴(yán)篦齒表面微觀分析

圖 2 經(jīng)磨損后的篦齒齒頂寬度Fig.2 Top width of seal teeth after wear

掃描電鏡下分析，除上述檢查到的裂紋，整個(gè)周向封嚴(yán)篦齒齒頂表面均可見許多微裂紋。微裂紋細(xì)小淺顯，有的與磨損方向垂直，有的呈現(xiàn)網(wǎng)狀。封嚴(yán)篦齒齒頂面上呈現(xiàn)明顯的金屬碾壓及片層堆積的磨損特征（圖3）。

圖 3 篦齒齒頂面微裂紋Fig.3 Micro cracks on the top of seal tooth

1.3 裂紋打開斷口分析

分別將1 條長裂紋和1 條短裂紋打開進(jìn)行斷口分析。裂紋打開斷口呈深黃色，與銀灰色的人為打斷區(qū)有明顯的分界，且篦齒齒型有所變形。裂紋斷口上可見清晰的疲勞弧線。長裂紋斷口上第1 齒和第2 齒可見各自的疲勞起源和擴(kuò)展弧線，第3 齒的斷面由第2 齒疲勞起源擴(kuò)展而來。短裂紋在第2 齒疲勞起源，未擴(kuò)展至第1 齒和第3 齒（圖4）。掃描電鏡下分析，各齒疲勞起源于齒頂表面，源區(qū)處未見冶金缺陷，但源區(qū)氧化嚴(yán)重，存在明顯的氧化顆粒特征（圖5）。

1.4 金相組織

圖 4 裂紋打開斷口宏觀形貌及疲勞擴(kuò)展走向Fig.4 Macroscopic morphology of fracture and trend of fatiguepropagation

在長裂紋附近沿軸向截取篦齒縱剖面，拋磨金相，用2%HF+4%HNO3+94%H2O（體積分?jǐn)?shù)）腐蝕劑腐蝕后，采用OLYMPUS GX51 金相顯微鏡進(jìn)行金相組織分析。篦齒齒頂均出現(xiàn)“白斑”，“白斑”是鈦合金燒傷時(shí)出現(xiàn)的一種組織缺陷，說明篦齒存在不同程度的燒傷現(xiàn)象，長裂紋附近處第2 齒燒傷最嚴(yán)重，其次是第1 齒，第3 齒齒頂處組織燒傷輕微，說明齒頂燒傷程度與裂紋疲勞起源有對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖6）。正常區(qū)域基體組織為網(wǎng)籃組織，燒傷最嚴(yán)重處（第1 齒和第2 齒齒頂處）受熱氧化，表面形成富氧層，形成了耐腐蝕的白亮層。輕微燒傷處，片層β 相部分溶解，顯微組織模糊不清（圖7）。

圖 5 疲勞源區(qū)特征Fig.5 Appearance of fatigue source

圖 6 裂紋附近三道篦齒金相組織Fig.6 Metallographic structures of three seal teeth near the crack

圖 7 不同受熱后的組織變化（第2 齒）Fig.7 Microstructures after different heat treatment （The second tooth）

在短裂紋處取篦齒橫向剖面金相，按上述方法和腐蝕劑處理后，在剖面金相上可見深度約為0.61 mm 的篦齒燒傷層，裂紋擴(kuò)展深度約為5.70 mm。此外，在整個(gè)齒頂表面均可見深度約為0.02～0.04 mm的微裂紋（圖8）。

1.5 硬度分析

采用QnessQ10A+顯微硬度計(jì)對(duì)不同燒傷層和基體處進(jìn)行硬度檢測(cè)，加載載荷為500 g，結(jié)果見表1。由表1 可知，嚴(yán)重?zé)齻幬挥诒韺樱捎谘趸纬闪烁谎鯇?，硬度明顯高于正?；w。熱影響區(qū)由于β 相有所溶解，其硬度相對(duì)基體有所下降，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

2 裂紋性質(zhì)及原因分析

高壓壓氣機(jī)一、二級(jí)盤連接鼓筒裂紋位于封嚴(yán)齒處，裂紋斷口上宏觀可見疲勞弧線，微觀可見疲勞條帶，高壓壓氣機(jī)一、二級(jí)盤鼓筒裂紋性質(zhì)為疲勞開裂。

圖 8 篦齒剖面金相Fig.8 Metallographic structure of cross section of seal tooth

表 1 封嚴(yán)齒縱截面硬度檢測(cè)結(jié)果Table 1 Hardness testing results of longitudinal section of seal tooth

鼓筒裂紋出現(xiàn)在封嚴(yán)篦齒上，斷口分析可知疲勞裂紋起源于篦齒齒頂。鼓筒整個(gè)周向的封嚴(yán)篦齒齒頂上基體均存在磨損現(xiàn)象，且出現(xiàn)不同程度的微裂紋，微裂紋具有磨削裂紋的特點(diǎn)，與轉(zhuǎn)動(dòng)磨損方向垂直或呈網(wǎng)狀；裂紋處原本噴有涂層的篦齒齒頂表面涂層完全被磨損，裸露出基體，且裂紋的長度與篦齒齒頂磨損量有對(duì)應(yīng)關(guān)系，即篦齒齒頂越寬（磨損越嚴(yán)重），此位置的裂紋越長；組織分析表明，裂紋處的篦齒齒頂存在嚴(yán)重的組織燒傷，三道篦齒中燒傷程度越重的篦齒疲勞起源擴(kuò)展面積也越大，說明疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展與組織燒傷程度也有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)這些特點(diǎn)分析認(rèn)為，封嚴(yán)篦齒裂紋產(chǎn)生與篦齒的磨損帶來的組織燒傷有關(guān)。

高壓壓氣機(jī)一、二級(jí)盤連接鼓筒處為篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)篦齒與鋼制的蜂窩環(huán)對(duì)磨，靠齒頂兩側(cè)涂層在蜂窩環(huán)上磨出一定深度的溝槽，起到封嚴(yán)作用，同時(shí)溝槽形成后鈦合金材料的篦齒齒頂不再與蜂窩環(huán)對(duì)磨，基體組織也不會(huì)發(fā)生過熱、過燒。故障鼓筒篦齒齒頂不僅涂層被刮磨，齒頂基體也受到了嚴(yán)重的磨損。檢查封嚴(yán)環(huán)對(duì)磨件-蜂窩環(huán)，發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)三道篦齒的蜂窩環(huán)出現(xiàn)在三道深約1.3 mm 的溝槽，見圖9。說明鼓筒封嚴(yán)環(huán)篦齒與蜂窩環(huán)出現(xiàn)了嚴(yán)重的刮磨，形成的溝槽在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)類似鋼制鈍刀高速切削鈦合金基體，產(chǎn)生巨大的熱量。鈦合金化學(xué)性能活潑，導(dǎo)熱系數(shù)低，黏性強(qiáng)，這些特性使得鈦合金與其它硬質(zhì)金屬件對(duì)磨時(shí)，當(dāng)磨削力較大時(shí)，導(dǎo)致表面局部溫度升高，一方面高溫區(qū)急劇膨脹受到周圍冷態(tài)金屬的約束，產(chǎn)生較大的參與拉應(yīng)力；另一方面，局部的溫升未能及時(shí)傳導(dǎo)出去，導(dǎo)致基體材料燒傷。當(dāng)零件燒傷后，材料的顯微組織、強(qiáng)度、塑性以及硬度等都會(huì)受到較大的影響，一般表現(xiàn)為強(qiáng)度和塑性隨燒傷程度增加而降低，尤其是塑性降低明顯。有研究表明，隨燒傷溫度和燒傷時(shí)間的增加，鈦合金燒傷程度增加，抗拉強(qiáng)度單調(diào)下降，塑性指標(biāo)嚴(yán)重惡化，疲勞性能會(huì)明顯降低[5]。在發(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的對(duì)磨應(yīng)力作用下，輕則出現(xiàn)磨削裂紋，重則導(dǎo)致疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。此外，從溝槽的磨損形貌上看，軸向?qū)挾让黠@比篦齒齒底寬度更大，說明封嚴(yán)環(huán)篦齒和蜂窩環(huán)不僅出現(xiàn)了明顯的徑向磨損，還存在軸向磨損，這種嚴(yán)重且不均勻的磨損不僅導(dǎo)致齒頂組織燒傷，同時(shí)還引起轉(zhuǎn)靜子之間的同軸度變差，加劇了不均勻磨損，局部對(duì)磨應(yīng)力增大，磨損最嚴(yán)重處最先出現(xiàn)疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展。

圖 9 對(duì)磨件蜂窩環(huán)的磨損溝槽Fig.9 Wear groove of the honeycomb ring(matching part)

3 預(yù)防和改進(jìn)措施

高壓壓氣機(jī)一、二級(jí)盤連接鼓筒裂紋產(chǎn)生的原因是由于封嚴(yán)環(huán)篦齒與蜂窩環(huán)設(shè)計(jì)間隙過小，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)嚴(yán)重對(duì)磨導(dǎo)致。因此解決措施是在保證封嚴(yán)效率的同時(shí)，放寬封嚴(yán)環(huán)篦齒和蜂窩環(huán)之間的間隙，同時(shí)為了進(jìn)一步降低對(duì)磨產(chǎn)生的應(yīng)力，適當(dāng)?shù)馗纳品涓C環(huán)的制造工藝，降低蜂窩環(huán)硬度。貫徹改進(jìn)措施后的發(fā)動(dòng)機(jī)到壽后返廠檢查，蜂窩環(huán)溝槽深度約0.4 mm，較之前的1.3 mm刮磨深度有明顯的改善，且連接鼓筒封嚴(yán)環(huán)篦齒上未見開裂現(xiàn)象，從根本上解決了此類故障。

4 結(jié)論

1）高壓壓氣機(jī)一、二級(jí)盤鼓筒裂紋性質(zhì)為疲勞開裂。

2）高壓壓氣機(jī)一、二級(jí)盤連接鼓筒裂紋產(chǎn)生的原因是由于封嚴(yán)環(huán)篦齒與蜂窩環(huán)設(shè)計(jì)間隙過小，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重對(duì)磨，產(chǎn)生高溫，由于鈦合金導(dǎo)熱率低，磨損導(dǎo)致的溫升不能及時(shí)傳導(dǎo)，導(dǎo)致齒頂基體組織出現(xiàn)過熱甚至過燒現(xiàn)象，使性能弱化，在發(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的對(duì)磨應(yīng)力作用下，疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展。

3）通過放寬封嚴(yán)環(huán)篦齒和蜂窩環(huán)之間的設(shè)計(jì)間隙，適當(dāng)?shù)母纳品涓C環(huán)的制造工藝，降低蜂窩環(huán)硬度，從根本上解決了此類故障。