渦槳發(fā)動機渦輪葉片凹坑損傷分析

陳 璐， 劉 靜， 李 琮， 蔣沁辰

（93145部隊，湖南 株洲 412002）

0 引言

航空發(fā)動機在工作過程中，由于不間斷的起停和使用，特別是飛機在執(zhí)行各種復(fù)雜飛行任務(wù)時，渦輪葉片承受著高溫、高壓、高速燃?xì)獾臎_擊，隨著工作時間的推移，容易產(chǎn)生以葉片表面凹坑和剝落為主要特征的外物損傷、以高溫蠕變變形帶來的變形伸長以及具有嚴(yán)重飛行安全威脅的疲勞斷裂等失效模式[1-5]，目前，對航空發(fā)動機渦輪葉片損傷的檢測手段已較成熟，包括在發(fā)動機未拆解狀態(tài)下的孔探檢查、拆解后的光學(xué)顯微檢查，以及渦流、磁粉、滲透著色、超聲波、X射線檢測和中子照相等[6-7]。但對失效模式的分析大多局限于對葉片本身的研究，缺少結(jié)合發(fā)動機整機原理相關(guān)的實際案例。劉麗玉等[8]對某發(fā)動機渦輪葉片在試車過程中緣板處出現(xiàn)的掉塊和裂紋進行了分析，定位故障與葉片技術(shù)條件要求不合理有關(guān)；石鳳仙等[9]對某發(fā)動機高壓渦輪葉片開裂原因進行了分析，最終定位開裂原因與葉片氣膜孔加工工藝不合理有關(guān)；陶敏等[10]對某發(fā)動機低壓一級渦輪葉片榫頭R處根部發(fā)生斷裂原因進行了分析，最終定位斷裂原因與滲鋁工藝中對榫頭防護不當(dāng)有關(guān)。

本研究以渦輪葉片發(fā)現(xiàn)凹坑損傷的1臺渦槳發(fā)動機為例，通過對葉片損傷處目視檢查、掃描電鏡微觀檢查與能譜分析、光學(xué)顯微鏡金相檢查確定損傷類型，并結(jié)合發(fā)動機裝配維護和工作原理準(zhǔn)確定位損傷葉片的多余物來源。

1 試驗過程與結(jié)果

渦槳發(fā)動機在進行延壽檢查時，發(fā)現(xiàn)1件第一級渦輪工作葉片有凹坑，用內(nèi)窺鏡測量凹坑尺寸約為5.04 mm×0.19 mm。在整機狀態(tài)下檢查壓氣機第一級、第十級工作葉片和燃燒室火焰筒均未見異常；另外，目視檢查渦輪第三級工作葉片，也未見異常。

1.1 外觀檢查

考慮到整機狀態(tài)下各零部件位置相對集中且相互遮擋，檢查方式和精準(zhǔn)度受限，可能對損傷情況掌握不全面，故將發(fā)動機葉片分解至零件狀態(tài)后進一步檢查。通過分解檢查發(fā)現(xiàn)，對于第一級渦輪工作葉片，除前期發(fā)現(xiàn)1件有明顯凹坑外，另4件有明顯擊傷痕跡，31件有點狀輕微擦痕；對于第一級渦輪導(dǎo)向葉片，其中3件有明顯擊傷痕跡，2件有輕微擦傷痕跡。第二級渦輪工作葉片中，有10件葉片葉身各有1處輕微擦痕；第二級渦輪導(dǎo)向葉片有9件有輕微擦痕；第三級渦輪導(dǎo)向葉片有8件輕微擦痕。為了分析故障原因，根據(jù)檢查情況，挑選損傷較嚴(yán)重的第一級渦輪導(dǎo)向葉片1件（A-1#）和第一級渦輪工作葉片5件（B-1#、B-2#、B-3#、B-4#、B-5#）進行進一步檢查。

A-1#葉片表面呈深棕色，擊傷坑位置在葉背面距排氣邊約12 mm，距小櫞板約15 mm，其余部位表面未見明顯的損傷痕跡（圖1）。

圖1 A-1#葉片F(xiàn)ig.1 Turbine blade A-1#

B-1#～B-5#葉片表面均呈深棕色，在進氣邊葉背側(cè)距葉根12～25 mm區(qū)域存在不同程度的擊傷坑（表1）。擊傷部位可見由葉背向葉盆方向的變形，其中B-1#葉片擊傷坑尺寸較大，變形相對明顯（圖2）。葉片其余部位表面未見明顯的損傷痕跡。

表1 擊傷坑位置及尺寸Table 1 Location and size of pit damagemm

圖2 B-1#葉片F(xiàn)ig.2 Turbine blade B-1#

1.2 微觀檢查

將試驗葉片分別置入掃描電鏡進行觀察。A-1#葉片擊傷坑表面未見明顯的異物粘附，B-1#～B-5#葉片擊傷坑部位表面存在較多白亮的粘附物，異物粘附處表面形貌及剖切后形貌見圖3。

圖3 局部粘附物形貌Fig.3 Morphology of local attachment

1.3 金相檢查

對葉片擊傷坑進行金相剖切檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，渦輪導(dǎo)向葉片A-1#的葉背面擊傷坑深約20 μm，擊傷坑表面未見異物粘附和嵌入現(xiàn)象（圖4a）。渦輪工作葉片的擊傷部位表面局部均存在灰黑色的粘附物，厚度為5～20 μm，擊傷坑部位及附近滲層存在多條裂紋（圖4b），無擊傷部位滲層顯微組織正常，厚度為70～75 μm。

圖4 葉片擊傷坑部位剖面形貌Fig.4 Profile morphology of damaged part of blades

葉片金相試樣經(jīng)腐蝕后觀察發(fā)現(xiàn)，葉片顯微組織均正常，無過熱過燒現(xiàn)象（圖5）。

圖5 葉片顯微組織形貌Fig.5 Morphology of blade microstructure

1.4 能譜分析

對表面有粘附物的葉片進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)葉片擊傷坑部位表面粘附物為Fe基金屬。擊傷部位Fe含量為45%～67%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），無損傷部位的Fe含量小于2%。擊傷部位未檢出Mo元素。

2 分析與討論

由上述試驗結(jié)果可知，第一級渦輪導(dǎo)向葉片和工作葉片存在明顯的異物擊傷，異物成分為Fe基金屬；葉片滲層及基體冶金質(zhì)量正常，基體無過熱過燒現(xiàn)象。

2.1 原因分析

根據(jù)試驗檢查結(jié)果以及發(fā)動機裝配結(jié)構(gòu)原理，列出可能導(dǎo)致葉片被擊傷的所有原因，并逐一排查。

1）裝配問題。

若葉片在裝配過程中發(fā)生碰傷，可能導(dǎo)致葉片被擊傷產(chǎn)生凹坑。外場發(fā)動機第一級渦輪工作葉片在使用超過規(guī)定時長后，需定期通過內(nèi)窺鏡進行外觀檢查[11]。查該臺發(fā)動機在外場已使用的時長，可以推斷其至少已進行過4次常規(guī)定期檢查，若葉片在發(fā)動機裝配過程中發(fā)生碰傷，外場首次定期檢查即可發(fā)現(xiàn)并通知工廠現(xiàn)場處理[12]，不會在進行延壽檢查時才發(fā)現(xiàn)葉片有凹坑，因此可排除該因素。

另外，若發(fā)動機內(nèi)部殘留的多余物進入發(fā)動機氣流通道，可導(dǎo)致葉片異物擊傷產(chǎn)生凹坑[13]。而在發(fā)動機前期各檢查周期均未發(fā)現(xiàn)葉片損傷，且返廠后分解檢查也未發(fā)現(xiàn)發(fā)動機內(nèi)部存在多余物現(xiàn)象，因此可排除該因素。

2）外物擊傷。

若發(fā)動機外部物體從進氣道進入，沿著發(fā)動機氣流通道進入渦輪內(nèi)部，可導(dǎo)致葉片異物擊傷產(chǎn)生凹坑。但通過發(fā)動機返廠進行分解檢查，發(fā)動機進氣道、壓氣機工作葉片和整流器葉片均未發(fā)現(xiàn)有擊傷痕跡，因此可排除外來物擊傷因素。

發(fā)動機內(nèi)部螺釘、螺帽、柳釘和鎖片等零件松脫、內(nèi)部零件出現(xiàn)裂紋斷裂或焊瘤掉落進入氣流通道，可導(dǎo)致葉片異物擊傷產(chǎn)生凹坑。通過對發(fā)動機進行分解檢查，均未發(fā)現(xiàn)零件松脫或內(nèi)部零件出現(xiàn)裂紋斷裂現(xiàn)象。但在燃燒室機匣1#支板與前外套焊縫處存在焊瘤被沖鏨和局部掉落的痕跡形貌，從焊瘤掉落處痕跡推斷，焊瘤直徑尺寸為2～5 mm。支板存在3處被尖銳工具沖鏨變形的痕跡（圖6）。因此該因素不可排除。

圖6 焊瘤沖鏨及掉落痕跡Fig.6 Welding nodules punch and drop trace map

進一步對燃燒室機匣支板焊縫焊瘤、未使用焊條（HTB-5）進行能譜分析，成分中含有明顯的Mo元素，與第一級渦輪工作葉片擊傷部位表面粘附物存在一定差異。但將焊瘤經(jīng)過950 ℃（模擬第一級渦輪工作葉片的工作溫度）、30 min加熱后，再次對燃燒室機匣支板焊縫焊瘤進行冶金分析，表面部分氧化物中Mo元素明顯減少，其成分與第一級渦輪工作葉片表面粘附物接近（表2）。

表2 能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 2 Energy spectrum analysis results (mass fraction /%)

2.2 機理分析

燃燒室機匣1#支板焊縫處的焊瘤在沖鏨后，一部分殘存的焊瘤沒有立即掉落，在發(fā)動機長期工作過程中，殘存焊瘤脫落并在高速氣流推動作用下撞擊在第一級渦輪導(dǎo)向葉片上，導(dǎo)致葉片產(chǎn)生凹坑。在燃燒室內(nèi)氣流的帶動下，焊瘤與第一級渦輪導(dǎo)向葉片有較高的相對速度，在撞擊導(dǎo)向葉片后被擊碎。對比預(yù)估的焊瘤直徑2～5 mm與凹坑尺寸約5.04 mm×0.19 mm，也基本符合以上判斷。焊瘤繼續(xù)進入渦輪內(nèi)通道內(nèi)撞擊在第一級渦輪工作葉片上，導(dǎo)致葉片被擊傷產(chǎn)生凹坑。由于工作葉片的材料和導(dǎo)向葉片不同，焊瘤在撞擊工作葉片且被擊碎的同時，殘留部分粘附物在葉身表面。對比粘附物及高溫加熱后焊絲的能譜分析結(jié)果，也基本符合該判斷。撞擊在第一級渦輪工作葉片上的焊瘤再次被擊碎后，微小焊瘤在渦輪內(nèi)通道內(nèi)繼續(xù)在離心力的作用下向外運動，導(dǎo)致第二、三級渦輪導(dǎo)向葉片和渦輪工作葉片有輕微擦傷痕跡。

2.3 改進措施

1）完善焊接工藝。首先，改進焊接工藝方法。定位焊時支板兩側(cè)在原基礎(chǔ)上各增加一個定位焊點，減小在電焊過程中由于零件變形而產(chǎn)生的間隙，減少焊瘤的產(chǎn)生。此外，明確鉗工沖鏨具體要求，細(xì)化鉗工沖鏨焊瘤的工具及具體操作。沖鏨焊瘤時，將鏨子抵在焊瘤根部，鏨子沿支板型面的切線方向，用榔頭敲擊鏨子根部，將大部分焊瘤去除沖鏨焊瘤后，再用風(fēng)槍打磨沖鏨部位的殘留焊瘤，使與周圍基體圓滑轉(zhuǎn)接。

2）細(xì)化焊后零件的表面質(zhì)量檢查要求。從焊后質(zhì)量、打磨質(zhì)量兩方面細(xì)化焊后零件的表面質(zhì)量檢查要求。焊后注明焊縫的具體咬邊深度，同時焊縫表面不允許有裂紋、燒穿、焊瘤、弧坑等缺陷。打磨部位應(yīng)與周圍基體圓滑轉(zhuǎn)接。

3 結(jié)論

1）燃燒室機匣支板焊縫殘存的焊瘤在發(fā)動機工作中掉落，掉落焊瘤在高速氣流推動的作用下撞擊第一級渦輪導(dǎo)向葉片和工作葉片，被多次擊碎后的微小焊瘤在渦輪內(nèi)通道中繼續(xù)在離心力的作用下向外運動，導(dǎo)致第二、三級渦輪導(dǎo)向葉片和渦輪工作葉片有輕微擦傷痕跡。

2）燃燒室機匣支板焊縫處的焊瘤在沖鏨后，有一部分殘存的焊瘤未被清理干凈，是導(dǎo)致此次葉片損傷的重要影響因素。

3）為了避免此類問題的再次發(fā)生，應(yīng)嚴(yán)格控制焊后零件的表面質(zhì)量，確保無焊瘤、弧坑、裂紋、燒穿等缺陷，打磨部位應(yīng)與周圍基體圓滑轉(zhuǎn)接。避免在使用過程中掉落產(chǎn)生多余物，影響發(fā)動機的正常工作。