航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇靜子葉片裂紋失效分析

卜嘉利，高志坤，牛建坤，曹 勇

（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

隨著中國(guó)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力要求的不斷提升，壓氣機(jī)部件氣動(dòng)負(fù)荷和性能指標(biāo)也不斷提高。風(fēng)扇靜子葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)中的核心部件，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中起到了降低氣體流動(dòng)速度、提高氣體壓力和改變氣流方向的作用[1-2]。風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片服役環(huán)境十分惡劣，發(fā)生失效概率較高[3]。風(fēng)扇靜子葉片失效模式以疲勞失效為主，引發(fā)葉片疲勞失效的原因有外物沖擊損傷、共振、微動(dòng)磨損、表面加工缺陷及鑄造缺陷等。一旦風(fēng)扇靜子葉片發(fā)生失效，將會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能和穩(wěn)定性，所以對(duì)風(fēng)扇靜子葉片開(kāi)展失效機(jī)理研究意義重大。為了獲取靜子葉片的疲勞極限，達(dá)到確定其初始應(yīng)力水平的目的，在室溫條件下對(duì)該型葉片開(kāi)展了振動(dòng)疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)在電磁振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，用根部固支的方式對(duì)葉片上緣板側(cè)面與夾具進(jìn)行固定。試驗(yàn)結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)葉片并沒(méi)有達(dá)到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)循環(huán)數(shù)，在葉片前緣表面有裂紋萌生。該葉片由TC4 鈦合金加工制造而成，該合金具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕性好和抗高溫氧化等優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件上得到廣泛應(yīng)用[4-6]。葉片主要加工工序流程為模鍛－葉型緣板粗銑加工－熱處理去除應(yīng)力－葉型緣板精銑加工－砂帶拋光－腐蝕檢查－振動(dòng)光飾－熒光探傷。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)風(fēng)扇葉片開(kāi)展了諸多研究工作。徐建新等[7]運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)方法建立發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇流場(chǎng)仿真模型，對(duì)硬物撞擊風(fēng)扇葉片表面損傷規(guī)律進(jìn)行模擬；張海洋等[8]采用流體動(dòng)力學(xué)方法和帶失效應(yīng)變彈塑性材料模型建立冰雹數(shù)值模型，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片進(jìn)行冰雹撞擊仿真，能夠準(zhǔn)確預(yù)估冰雹撞擊過(guò)程及葉片損傷程度；Ni 等[9]通過(guò)模擬仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)多模態(tài)激勵(lì)下風(fēng)扇葉片的應(yīng)力特征進(jìn)行了細(xì)致研究；Hong 等[10]通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)分析手段，對(duì)高弧度的殼形風(fēng)扇靜子葉片振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行了分析；高志坤等[11]通過(guò)風(fēng)扇葉片服役環(huán)境分析、材質(zhì)分析及強(qiáng)度計(jì)算等手段對(duì)葉片失效原因進(jìn)行分析，表明葉片工作過(guò)程中葉尖與機(jī)匣處理環(huán)發(fā)生異常碰摩，使葉片承受非正常沖擊載荷是葉片萌生疲勞裂紋的主要原因；卜嘉利等[12]研究發(fā)現(xiàn)如果風(fēng)扇葉片表面存在機(jī)加刀痕會(huì)改變?nèi)~片表面振動(dòng)應(yīng)力分布，在機(jī)加刀痕處形成應(yīng)力集中，葉片表面有刀痕部位振動(dòng)應(yīng)力約為無(wú)刀痕部位振動(dòng)應(yīng)力的2倍。

目前，中國(guó)鮮有關(guān)于在對(duì)風(fēng)扇葉片進(jìn)行振動(dòng)光飾時(shí)，由于振動(dòng)光飾磨粒棱角鋒利導(dǎo)致風(fēng)扇葉片表面劃傷從而引發(fā)葉片失效方面的報(bào)道。本文通過(guò)熒光探傷、斷口宏微觀分析、源區(qū)表面檢查、葉片表面劃痕來(lái)歷分析、材質(zhì)分析及有限元應(yīng)力模擬分析，確定了裂紋性質(zhì)及萌生原因，并提出了相應(yīng)改進(jìn)措施，防止故障再次發(fā)生。

1 試驗(yàn)與解析

1.1 熒光探傷

為確定振動(dòng)疲勞試驗(yàn)后風(fēng)扇靜子葉片裂紋位置，對(duì)該葉片進(jìn)行熒光探傷，探傷結(jié)果如圖1 所示。從圖中可見(jiàn)，葉片前緣上緣板與葉身的轉(zhuǎn)接部位存在1 條裂紋，且裂紋沿葉片厚度方向裂透。振動(dòng)疲勞試驗(yàn)葉片上緣板與夾具裝配如圖2 所示。從圖中可見(jiàn)，用根部固支的方式對(duì)葉片上緣板側(cè)面與夾具進(jìn)行固定，葉片裂紋萌生部位如紅色虛線圈所示。

圖1 葉片裂紋熒光顯示圖像

圖2 葉片與夾具裝配

1.2 斷口宏、微觀分析

該裂紋斷口宏觀形貌如圖3 所示。從圖中可見(jiàn)，斷口表面潔凈、平坦，磨損較重，可見(jiàn)疲勞弧線與放射棱線，表明該斷口的性質(zhì)為疲勞。根據(jù)疲勞弧線與放射棱線的收斂方向判斷，疲勞起源于葉片葉盆側(cè)前緣靠近上緣板表面，疲勞源區(qū)距前緣約2.3 mm，具體位置見(jiàn)紅色虛線圈。

圖3 故障葉片斷口形貌

斷口疲勞源區(qū)微觀形貌如圖4 所示。從圖中可見(jiàn)，疲勞起源于葉片葉盆側(cè)前緣靠近上緣板基體表面，呈多源線性特征，源區(qū)未見(jiàn)缺陷及雜質(zhì)。擴(kuò)展區(qū)微觀形貌如圖5 所示。從圖中可見(jiàn)細(xì)密的疲勞條帶，進(jìn)一步證明了該斷口為疲勞斷口。

圖4 疲勞斷口源區(qū)微觀形貌（500倍）

圖5 斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)微觀形貌（1000倍）

1.3 源區(qū)側(cè)表面檢查

葉片檢查標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定葉身表面不應(yīng)有劃痕、壓痕，而斷口疲勞源區(qū)附近表面微觀放大形貌如圖6 所示。從圖中可見(jiàn)明顯與斷口平行的磨痕和與斷口呈一定角度的斷續(xù)劃痕，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。并且放射棱線匯聚在斷口源區(qū)側(cè)表面的斷續(xù)劃痕處，說(shuō)明裂紋的萌生與源區(qū)附近表面的劃痕有關(guān)。

圖6 斷口源區(qū)附近表面微觀形貌

1.4 劃痕來(lái)歷分析

為了明確葉身表面劃痕的來(lái)歷，對(duì)車(chē)間加工葉片的整個(gè)工藝流程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)工藝流程中有砂帶拋光和振動(dòng)光飾的操作步驟。振動(dòng)光飾磨粒檢查結(jié)果如圖7 所示。從圖中可見(jiàn)，磨粒存在棱邊圓滑與棱邊不圓滑有棱角這2 種形態(tài)。振動(dòng)光飾操作規(guī)范明確要求，如重新添加或者補(bǔ)添加振動(dòng)光飾磨粒時(shí)，應(yīng)空機(jī)運(yùn)行3～6 h，確保磨粒棱邊圓滑，達(dá)到不劃傷零件表面狀態(tài)的目的，而通過(guò)檢查結(jié)果可知，此次振動(dòng)光飾磨粒棱邊存在棱角，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，因此判斷圖6 中斷口源區(qū)側(cè)表面的斷續(xù)劃痕應(yīng)是振動(dòng)光飾磨顆與葉片相互摩擦產(chǎn)生的。

圖7 2種振動(dòng)光飾磨粒宏觀圖像

1.5 成分檢查

葉片材質(zhì)能譜分析結(jié)果見(jiàn)表1，合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均符合要求。

表1 能譜分析結(jié)果 wt%

1.6 硬度檢查

在葉片疲勞裂紋附近區(qū)域基體取樣后，對(duì)該區(qū)域3 個(gè)位置分別進(jìn)行布氏硬度檢查，結(jié)果見(jiàn)表2，硬度值完全符合設(shè)計(jì)要求。

表2 布氏硬度檢查結(jié)果 HB

1.7 組織分析

對(duì)葉片疲勞裂紋附近區(qū)域基體進(jìn)行取樣并制備為金相試樣后，再對(duì)其組織形貌進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示。葉片組織為α+β 雙態(tài)組織，未見(jiàn)明顯異常。

圖8 葉片組織圖像

1.8 有限元分析

為明確振動(dòng)疲勞試驗(yàn)狀態(tài)下葉片相對(duì)振動(dòng)應(yīng)力分布及第1 階固有頻率，本文利用Ansys 有限元分析軟件對(duì)葉片進(jìn)行振動(dòng)特性分析。采用Solid186 實(shí)體單元類(lèi)型對(duì)葉片有限元模型劃分網(wǎng)格，共劃分14816個(gè)單元和73675個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 葉片有限元模型

在振動(dòng)疲勞摸底試驗(yàn)中，采用“上緣板固支，下緣板自由”的邊界約束條件，獲取葉片1 彎振型下的疲勞極限，有限元數(shù)值分析中邊界約束條件與振動(dòng)疲勞試驗(yàn)狀態(tài)一致。而在實(shí)際工作狀態(tài)中，靜子葉片上緣板與機(jī)匣的T 型槽插接固定，下緣板則插接在靜子內(nèi)環(huán)上，如圖10所示。試驗(yàn)狀態(tài)與靜子葉片實(shí)際工作狀態(tài)的邊界存在差異，但可獲取葉片的1 彎疲勞極限數(shù)據(jù)，達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?。有限元分析結(jié)果如圖11 所示故障葉片第1 階最大振動(dòng)應(yīng)力分布在葉片葉盆側(cè)前緣靠近上緣板表面，與葉片疲勞起源位置相一致。

圖10 靜子葉片裝配

圖11 葉片第1階振動(dòng)應(yīng)力分布

2 分析與討論

（1）故障葉片裂紋斷口疲勞源區(qū)未見(jiàn)明顯的冶金缺陷；材質(zhì)分析符合標(biāo)準(zhǔn)要求。說(shuō)明故障葉片裂紋的萌生與材質(zhì)和冶金缺陷無(wú)關(guān)。

（2）由斷口宏、微觀分析結(jié)果可知，故障葉片斷口潔凈、平坦、光滑，可見(jiàn)疲勞弧線與放射棱線，擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)細(xì)密的疲勞條帶，表明該葉片斷口性質(zhì)為高周疲勞[13-14]。

（3）葉片有限元應(yīng)力分析結(jié)果表明，葉片第1 階彎曲振動(dòng)最大振動(dòng)應(yīng)力部位位于葉片葉盆側(cè)前緣靠近上緣板表面處，與疲勞起源位置重合。當(dāng)葉片第1階最大振動(dòng)應(yīng)力部位表面存在劃痕時(shí)，會(huì)降低葉片表面完整性，加劇應(yīng)力集中，促進(jìn)疲勞裂紋的萌生[15-17]。

（4）振動(dòng)光飾磨粒檢查結(jié)果表明，磨粒表面光滑度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，振動(dòng)光飾機(jī)中有新添加的磨粒，新舊磨粒之間相互摩擦?xí)r間不夠，導(dǎo)致新添加磨粒各棱邊不夠圓滑，存在棱角。在葉片進(jìn)行振動(dòng)光飾時(shí)，存在棱角的磨粒劃傷葉片表面，破壞表面完整性，降低抗疲勞性能。

綜上所述，在進(jìn)行葉片振動(dòng)光飾時(shí)，存在棱角的磨粒與葉片源區(qū)附近表面摩擦所產(chǎn)生的劃痕是導(dǎo)致疲勞裂紋萌生的主要原因。

3 結(jié)論及建議

（1）某型風(fēng)扇靜子葉片裂紋的性質(zhì)為高周疲勞，呈多源線性特征；

（2）故障葉片源區(qū)附近表面的劃痕是在振動(dòng)光飾過(guò)程中，有棱角的磨粒與葉片相互摩擦生成的；

（3）葉片源區(qū)附近表面劃痕對(duì)疲勞裂紋的萌生起促進(jìn)作用；

（4）裂紋萌生與材質(zhì)和冶金缺陷無(wú)關(guān)。

建議嚴(yán)格控制振動(dòng)光飾磨粒表面狀態(tài)，避免在振動(dòng)光飾時(shí)磨粒劃傷葉片表面；對(duì)振動(dòng)光飾后的葉片表面進(jìn)行噴丸處理，以改善葉片表面質(zhì)量，增大表面殘余壓應(yīng)力，提高葉片抗疲勞性能。