發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片的氧化損傷分析

韓世進(jìn) 常城

摘要：高壓渦輪葉片是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最惡劣的零部件，不僅承受轉(zhuǎn)子葉片自身的離心力、振動(dòng)載荷，還承受極端的熱應(yīng)力，極易發(fā)生損傷。在葉片的各類損傷中，氧化損傷是最常見的一種，也是造成其他損傷的一個(gè)重要因素。本文通過對(duì)渦輪葉片構(gòu)造特點(diǎn)的分析及熱損傷機(jī)理的探討，重點(diǎn)介紹了葉片的氧化損傷及其表現(xiàn)形式，為維修人員對(duì)損傷的判定提供參考。

關(guān)鍵詞：高壓渦輪葉片；熱障涂層；氧化

Keywords：HPT blade；thermal barrier coating；oxidation

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在其他條件不變的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度每提升100℃，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大推力就可以提升8%～10%。渦輪前溫度的提高主要依賴于葉片材料的耐高溫能力和葉片冷卻技術(shù)的發(fā)展。

圖1為渦輪葉片冷卻技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r對(duì)渦輪前溫度的影響[1]。

除了冷卻技術(shù)，另一個(gè)影響渦輪前溫度的關(guān)鍵因素是渦輪葉片材料的耐高溫性能。為了提高葉片的耐高溫性能，其材料一般選用單晶體的鎳合金，且在葉片基體上施加額外的熱障涂層（TBC）。

1 熱障涂層的構(gòu)成

熱障涂層具有優(yōu)異的隔熱、抗氧化、抗腐蝕性能，將其涂覆于葉片表面，能夠顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，降低能耗。廣義的熱障涂層一般是由陶瓷頂層、熱生長氧化膜（Thermally Grown Oxide，簡稱TGO）和粘接層組成的多層結(jié)構(gòu)體系。一些文獻(xiàn)資料中，有時(shí)也會(huì)單將陶瓷頂層稱為熱障涂層。

陶瓷頂層的導(dǎo)熱系數(shù)低，起主要的隔熱作用。結(jié)合現(xiàn)行的先進(jìn)冷卻技術(shù)，目前可形成約300℃的溫度降幅。粘接層一般為MCrAlY（M為過渡金屬，含Ni、Co等元素）或Pt改性鋁化物涂層，主要用以緩沖陶瓷層與基體間較大的熱膨脹系數(shù)差異，起粘結(jié)過渡的作用，同時(shí)兼具系統(tǒng)的氧化腐蝕防護(hù)功效（見圖2）。在高溫環(huán)境工作時(shí)，熱障層與葉片基體的界面會(huì)形成一層連續(xù)致密的保護(hù)膜（TGO層），對(duì)基體提供保護(hù)[2]。

決定熱障涂層使用壽命的一個(gè)重要因素就是粘接層的氧化。渦輪葉片經(jīng)過長時(shí)間的使用后，熱障層的粘結(jié)強(qiáng)度通常會(huì)降低，熱障層與基體材料之間不可避免的熱應(yīng)變會(huì)使其粘合強(qiáng)度超負(fù)荷，從而發(fā)生涂層剝落，不僅導(dǎo)致基體過熱，剝落的涂層顆粒還會(huì)對(duì)氣流下游的熱部件造成損壞。

以某型CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其葉片陶瓷層的主要成分為白色的氧化鋯，厚度約為0.15mm[3]。氧化鋯在高溫下成為離子導(dǎo)體，可將氧氣直接帶到粘接層中。此外，特定功能段的裂紋和多孔性也會(huì)使空氣中的氧分子直接到達(dá)粘接層表面。

2 熱障涂層的失效模式

渦輪葉片的熱障涂層失效較為常見，是導(dǎo)致葉片發(fā)生損傷的一個(gè)重要因素。由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜多變，涂層失效原因也很復(fù)雜（見圖3）。幾種常見的失效模式如下。

1）陶瓷層燒結(jié)

沉積后的陶瓷層，當(dāng)工作溫度超過特定溫度時(shí)就會(huì)迅速發(fā)生燒結(jié)。燒結(jié)過程會(huì)引起陶瓷的體積和材料性質(zhì)的變化。燒結(jié)使陶瓷層發(fā)生收縮，產(chǎn)生面內(nèi)拉應(yīng)變，引起垂直界面的裂紋，導(dǎo)致熱障涂層剝落。

2）粘接層氧化

高溫環(huán)境下粘接層會(huì)氧化形成氧化層，導(dǎo)致其在界面附近發(fā)生體積膨脹。由于受到周圍材料的約束，氧化層形成的同時(shí)就伴隨著殘余壓應(yīng)力。粘接層的氧化會(huì)惡化陶瓷層的粘結(jié)強(qiáng)度。即使只有幾微米的厚度，粘接層與陶瓷層之間熱生長氧化物也會(huì)引起陶瓷層的局部剝落，并加速基體材料薄弱區(qū)域的熱疲勞。

3）邊緣效應(yīng)

在渦輪葉片的邊角位置（如冷卻氣孔處），由于材料性質(zhì)不同，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力奇異。熱障涂層的剝落常常起源于這些部位。

4）熱腐蝕影響

航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的燃油中一般含有鈉、硫等雜質(zhì)，因此熱障涂層經(jīng)常遇到熱腐蝕問題，包括氧化、氮化和硫化等。

5）沖擊損傷

發(fā)動(dòng)機(jī)氣流中的小顆粒物體會(huì)沖擊涂層表面并與之摩擦，引起涂層微觀結(jié)構(gòu)的損傷和厚度的降低，從而使金屬基體溫度升高，加速粘接層的氧化。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火電嘴的材料脫落是較常見的一類。

此外，高溫?zé)嵫h(huán)過程中熱障涂層各種材料的性質(zhì)、熱梯度、制備過程及冷卻后涂層內(nèi)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力等都對(duì)其壽命產(chǎn)生影響。

3 葉片的氧化損傷

氧化是高溫腐蝕的一種典型損傷類型，是由于氧氣參與而導(dǎo)致的一種腐蝕，嚴(yán)重的氧化也常稱為燒蝕。文獻(xiàn)中一般將氧化定義為最終導(dǎo)致氧化物形成的各種破壞機(jī)理，可將其看作是各種損傷的上位概念，是一個(gè)比較寬泛的概念。

氧化可通過基體與大氣中氧氣的直接反應(yīng)而發(fā)生，或通過反應(yīng)鏈和擴(kuò)散過程發(fā)生。如果這些反應(yīng)生成的氧化物被應(yīng)力（如熱應(yīng)力、體積變化、裂紋和剝落等）侵蝕損壞，氧化就會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，直到其不可避免地削弱橫截面并導(dǎo)致部件失效。正常的抗氧化涂層變薄或遭受相當(dāng)大的熱損傷（如剝落或卷起），就會(huì)加速基體材料的侵蝕。

如果葉片長時(shí)間處于高于設(shè)計(jì)溫度的條件下，可能會(huì)造成“沖刷”狀的短裂紋和“起皺”的表面材料丟失，通常稱為“橙皮效應(yīng)”。熱疲勞裂紋會(huì)因氧化作用而生長，這與時(shí)間的影響很大。至少在一段時(shí)間內(nèi)，裂紋擴(kuò)展非常緩慢[1]。

如果葉片壁已經(jīng)被完全氧化，則熱氣會(huì)進(jìn)入冷卻空氣管道，導(dǎo)致冷卻空氣損失，不僅直接影響部件，可能還會(huì)引起其他嚴(yán)重?fù)p傷。極端情況下，溫度處于液相線溫度范圍內(nèi)或嚴(yán)重氧化時(shí)，葉片將部分分離，并且沒有明顯的可識(shí)別的斷面，分離面會(huì)變得粗糙。如果溫度稍低，在固相線溫度范圍內(nèi)，葉片的部分區(qū)域?qū)l(fā)生折斷。這通常發(fā)生在葉片的尖端和特別薄的后邊緣區(qū)域。

渦輪葉片的變色是氧化損傷一個(gè)早期典型的特征，但由于其造成的后果并不嚴(yán)重，在發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)時(shí)通常會(huì)與氧化區(qū)別對(duì)待。氧化損傷除具有變色的特征外，一般都會(huì)伴隨著一些其他的形態(tài)損傷，如裂紋、表面起皺或材料丟失等，其后續(xù)可能造成更加嚴(yán)重的后果。

圖4是某型發(fā)動(dòng)機(jī)典型的葉片氧化損傷，與單純變色相比，其葉片表面的材料形態(tài)有不同程度的損毀。

4 結(jié)束語

渦輪葉片的變色與氧化損傷都是典型的發(fā)動(dòng)機(jī)熱損傷，航空公司在“發(fā)動(dòng)機(jī)防空停”的壓力下，往往采取謹(jǐn)慎的態(tài)度來對(duì)待葉片的變色。很多時(shí)候，一些變色可能會(huì)被判定成氧化損傷，從而采取更加嚴(yán)格的管控措施。從某種程度上來說，這也是一種過度維修。雖然飛機(jī)運(yùn)行因此更加安全，但通常都會(huì)伴隨著大量的投入。正確區(qū)分這兩種損傷需要大量的經(jīng)驗(yàn)積累，但也能帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] Axel Rossmann. Aeroengine Safety，11.2.3. The Turbine [DB/OL]. https：//aeroenginesafety.tugraz.at，2021.

[2]薩拉瓦納穆圖，等著，黃維娜，等譯. 燃?xì)鉁u輪原理[M]. 航空工業(yè)出版社，2015.

[3] CFM56-7B Engine Shop Manual CFMI-TP-SM.10 [Z]. 2021.

[4] CFM International. Borescope Inspection Guide，GEK 119346 [Z]. 2015.