某型航空發(fā)動機前紊流板裂紋故障分析

陳凡 王李軍 路琿/國營錦江機器廠

1 故障描述

某型航空發(fā)動機外場300h定檢時，機務人員發(fā)現(xiàn)發(fā)動機燃燒室外環(huán)前紊流板根部（第一排摻混孔）存在穿透性裂紋，裂紋沿圓周方向擴展角度約190°，超過維護手冊規(guī)定。前紊流板上出現(xiàn)裂紋一般是允許的，發(fā)生在小孔之間的周向裂紋如沿圓周方向擴展到等于或大于180°時，需將發(fā)動機返廠檢修。如果有數(shù)條裂紋，則應考慮第一條裂紋的起點至最后一條裂紋終點的范圍：當0°<α<90°時，繼續(xù)使用，每100h 作一次孔探儀檢查；當90°<α<180°時，繼續(xù)使用，每50h 作一次孔探儀檢查；α≥180°時，發(fā)動機返廠檢修。前紊流板根部斷裂會造成前紊流板上的限位襯套與轉子軸上安裝的甩油盤端面摩擦，嚴重時導致發(fā)動機轉子軸卡死，危及飛行安全。

2 斷口失效分析

2.1 宏觀檢查

從圖1 可以看出，發(fā)動機燃燒室前紊流板裂紋位于轉角根部位置，為弧度約190°的周向穿透性裂紋。前紊流板分內外側兩個面，工作后外表面顏色呈灰藍色，內表面顏色呈棕黃色。

2.2 微觀檢查

檢查裂紋斷口發(fā)現(xiàn)，斷口及孔表被腐蝕物覆蓋，其中孔表腐蝕嚴重，受熱面孔口邊緣存在多條微裂紋（見圖2）；裂紋起源于受熱面孔的邊緣，沿紊流板圓周方向擴展，裂紋源區(qū)可見沿晶脆斷特征（見圖3）；裂紋擴展區(qū)可見明顯的疲勞條帶（見圖4）；裂紋瞬斷區(qū)微觀呈現(xiàn)韌窩形貌（見圖5）。

圖1 前紊流板轉角根部裂紋

圖2 受熱面孔口微裂紋

圖3 源區(qū)（靠受熱面）沿晶脆斷形貌特征

2.3 能譜分析

在前紊流板斷口裂紋源區(qū)、擴展區(qū)域各選擇兩處進行能譜分析，結果表明，除含GH188 基體材料主要元素外，源區(qū)和擴展區(qū)均含有O、S 等腐蝕元素，源區(qū)所含腐蝕性元素S 明顯多于擴展區(qū)（見表1）。

2.4 分析結論

根據(jù)前紊流板工作特點和結構，該零件在發(fā)動機工作時主要受拉應力作用，第一排摻混孔處受力大且處于應力集中部位。結合前述檢查情況分析，前紊流板第一排摻混孔在工作環(huán)境下發(fā)生熱腐蝕，并在拉應力作用下萌生裂紋，隨著工作時間延長，裂紋沿周向疲勞擴展，擴展過程中伴隨熱氣流的腐蝕作用。前紊流板裂紋性質為腐蝕疲勞。

3 裂紋故障原因分析

3.1 結構組成

前紊流板和混合器組件組成火焰筒外環(huán)組件，為發(fā)動機燃燒室零件。前紊流板通過20 顆螺栓固定在混合器組件前端（見圖6），功用是引導流入發(fā)動機離心壓氣機后的壓縮空氣通過前紊流板上的摻混孔均勻進入燃燒室，促進燃燒室內燃氣的穩(wěn)定燃燒。

3.2 工作原理

圖4 擴展區(qū)疲勞條帶

圖5 瞬斷區(qū)形貌

表1 紊流板斷口能譜分析結果（wt%）

圖6 前紊流板安裝圖

圖7 燃燒室氣流路徑及工作溫度分布

圖8 火焰筒外環(huán)組件區(qū)域位置

發(fā)動機燃燒室零件是在高溫、高負荷下工作，承受氣體力、慣性力產(chǎn)生的靜載荷和振動載荷，還受熱應力和熱腐蝕的作用。燃燒室火焰筒為薄壁鈑金結構件，表面開有大量的摻混孔，受結構的相互約束，摻混孔邊緣處的應力極為復雜，不僅存在應力集中，還有內外表面溫度梯度變化不同步造成的熱應力耦合。

前紊流板為薄壁鈑金結構件，與火焰筒內環(huán)組成的半包圍區(qū)為燃燒室主燃區(qū)，焰心溫度可達2500℃（見圖7）。前紊流板轉角處的第一排摻混孔為直排孔，氣流對該處壁板的冷卻效果較其余部位的斜排摻混孔差，且該部位靠近甩油盤燃料出口處，受到的熱應力影響更大，燃燒產(chǎn)生的沉淀物質更易附著積累在該處孔口邊緣表面。此外，發(fā)動機起動后，燃燒室總體受向后的氣體力、慣性力的合力作用，前紊流板隨火焰筒外環(huán)組件向后移動，前紊流板上的齒狀限位擋邊與噴射油道軸頸齒狀限位凸臺會相互接觸，承受向前的拉力，而前紊流板轉角處為徑向形狀急劇變化的應力集中部位，相對前紊流板其他部位將承受更大的拉應力作用。因此，前紊流板轉角處若產(chǎn)生腐蝕和裂紋缺陷，容易在復雜應力作用下開裂和擴展。

3.3 修理方法

現(xiàn)行技術文件中有清洗積炭、清洗后腐蝕檢查、尺寸測量及無損檢測要求。對照圖8 所示的火焰筒外環(huán)組件區(qū)域位置，熒光探傷檢查標準為：前紊流板“1”處，允許存在長度不大于5mm 的裂紋，裂紋長度大于5mm 則更換前紊流板；前紊流板釬焊“2”“3”處，允許存在總長度不大于20mm、間距不小于60mm 的裂紋，超過上述標準報廢。

復查該發(fā)動機前紊流板大修質量記錄。前紊流板清洗后檢查表面無異常，熒光探傷無裂紋，各尺寸及形位公差符合工藝要求，可排除大修過程中前紊流板轉角處存在腐蝕和裂紋的可能。

3.4 原因分析

綜合上述情況分析，發(fā)動機前紊流板轉角處裂紋為外場使用期間摻混孔邊緣受到熱腐蝕作用產(chǎn)生的表面缺陷，在應力集中作用下進一步發(fā)生疲勞擴展所致。熱腐蝕是金屬材料在高溫工作環(huán)境中與表面沉積的硫化物、氧氣和其他腐蝕性氣體（來源于燃料、空氣）共同作用下產(chǎn)生的。

4 措施

1）對該臺前紊流板裂紋的發(fā)動機進行檢修，修理合格后繼續(xù)使用。

2）采用噴砂工藝去除前紊流板受熱面（特別是摻混孔）殘留的腐蝕物，降低熱腐蝕帶來的影響。

3）在用戶按照維護手冊定期開展檢查工作的基礎上，工廠將前紊流板裂紋檢查納入發(fā)動機巡檢巡修范圍，確保發(fā)動機外場使用安全。