發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片斷裂失效分析

姜濤，李春光，張兵

（1.北京航空材料研究院 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司失效分析中心，北京 100095；2.中國民航科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100028）

壓氣機(jī)是航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其主要作用是提高作為發(fā)動機(jī)工作介質(zhì)的空氣壓力。轉(zhuǎn)子葉片由于高速旋轉(zhuǎn)、數(shù)量多、形體單薄，以及載荷、工況復(fù)雜，使其成為發(fā)動機(jī)使用和實驗中故障率最高的零部件之一[1]。轉(zhuǎn)子葉片中最常見的失效模式為疲勞開（斷）裂失效，引起葉片疲勞失效的原因多種多樣，主要包括共振、外物打傷、腐蝕、材質(zhì)缺陷、微動損傷等[2—4]。其中，腐蝕引起的疲勞失效是導(dǎo)致壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片失效的一個常見因素，并且腐蝕在葉片失效中所起的作用較難界定。

某型發(fā)動機(jī)累計工作1 299 h 14 min后返廠分解檢查，發(fā)現(xiàn)1片發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)Ⅲ級轉(zhuǎn)子葉片斷裂，除Ⅰ,Ⅱ級葉片外，其余壓氣機(jī)葉片均有不同程度的損傷。轉(zhuǎn)子葉片由1Cr11Ni2W2MoV 馬氏體不銹鋼鍛造成形。

筆者對上述葉片斷裂原因進(jìn)行了分析，并著重探討了腐蝕對葉片失效的影響，其結(jié)果可為設(shè)計人員提供借鑒。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

壓氣機(jī)Ⅲ級葉片斷裂位置如圖1 所示，葉片在葉身2/3 高度處發(fā)生斷裂，進(jìn)氣邊一側(cè)斷口平坦，斷面大致平行于葉片葉根；排氣邊一側(cè)斷口塑性變形嚴(yán)重，呈從葉盆側(cè)向葉背側(cè)撕裂的特征。

圖1 葉片斷裂部位Fig.1 Fracture position of the blade

葉片的葉盆側(cè)表面為銀灰色，局部可見黑色斑點；葉背側(cè)表面光亮，表面存在沿葉身方向的細(xì)小磨削加工痕跡，如圖2所示。對斷裂葉片和1片未斷的Ⅲ級完好葉片表面進(jìn)行對比觀察，發(fā)現(xiàn)在葉片進(jìn)氣邊均存在大量的黑色腐蝕坑，斷裂葉片腐蝕情況略重于未斷葉片，如圖3所示。

葉片斷口宏觀形貌如圖4所示。葉片進(jìn)氣邊一側(cè)為相對平坦的疲勞區(qū)，疲勞區(qū)占斷口面積的3/4，排氣邊一側(cè)為瞬斷區(qū)。疲勞區(qū)表面可見明顯的疲勞弧線，疲勞弧線的中心都指向葉片進(jìn)氣邊。葉片進(jìn)氣邊斷口表面呈灰黑色，與其它區(qū)域明顯不同。

1.2 微觀觀察及能譜分析

在JSM5600型掃描電子顯微鏡下對失效的葉片進(jìn)行微觀觀察。

圖2 斷裂葉片表面形貌Fig.2 Appearance of the fractured blade

圖3 葉片進(jìn)氣邊腐蝕坑Fig.3 Pitting at the leading edge

圖4 葉片斷口形貌Fig.4 Macro appearance of the fracture surface

1.2.1 葉片斷口

觀察發(fā)現(xiàn)，斷口表面未見明顯疲勞擴(kuò)展棱線，葉片葉背、葉盆兩側(cè)均無疲勞源，結(jié)合疲勞弧線的收斂中心判斷，葉片的疲勞裂紋源應(yīng)位于進(jìn)氣邊。

葉片進(jìn)氣邊的斷口形貌如圖5所示，可見進(jìn)氣邊斷口表面存在明顯的腐蝕區(qū)，葉盆一側(cè)腐蝕區(qū)深約0.3 mm，葉背一側(cè)深約0.8 mm，該區(qū)被腐蝕產(chǎn)物覆蓋。腐蝕區(qū)與疲勞擴(kuò)展區(qū)交界處形貌如圖6所示，兩者之間存在明顯分界：一側(cè)腐蝕嚴(yán)重，可見泥紋花樣；一側(cè)腐蝕輕微，表面可見輕微的馬氏體條束特征，并能夠觀察到細(xì)密的脆性疲勞條帶，如圖7所示。

圖5 葉片進(jìn)氣邊斷口形貌Fig.5 Fracture surface near the leading edge

圖6 斷口腐蝕區(qū)邊界形貌Fig. 6 Boundary appearance of the erosion zone at the fracture surface

圖7 靠近腐蝕區(qū)的疲勞特征Fig.7 Fatigue feature near the erosion zone

對斷口腐蝕區(qū)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1。腐蝕產(chǎn)物中腐蝕性元素主要有S，Cl，O。

葉片斷口疲勞擴(kuò)展中期形貌如圖8 所示，斷口表面存在大量疲勞弧線，弧線中心皆指向葉片進(jìn)氣邊。弧線間密布疲勞條帶。疲勞擴(kuò)展后期斷面起伏加劇，疲勞弧線更為明顯，弧線間的疲勞條帶仍很細(xì)密。瞬斷區(qū)的斷口表面為韌窩特征。

表1 葉片腐蝕表面微區(qū)成分分析結(jié)果Table 1 Results of content analysis for the corrosion surface microzone of fractured blade %

圖8 裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞弧線Fig.8 Fatigue striations at the propagating zone

1.2.2 葉片進(jìn)氣邊腐蝕坑

對斷裂葉片進(jìn)氣邊葉背側(cè)進(jìn)行觀察，裂紋走向如圖9所示，進(jìn)氣邊表面存在大的腐蝕坑，裂紋源區(qū)附近的腐蝕情況最為嚴(yán)重。選取的完好葉片進(jìn)氣邊也存在腐蝕坑，相對較輕，如圖10所示。

對腐蝕坑內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，腐蝕產(chǎn)物中主要含有S，Cl，O腐蝕性元素（見表1）。

圖9 斷裂葉片進(jìn)氣邊腐蝕情況Fig.9 Erosion near the leading edge of the fractured blade

圖10 未斷葉片進(jìn)氣邊腐蝕情況Fig.10 Erosion of the leading edge of an undamaged blade

綜合以上試驗結(jié)果，壓氣機(jī)Ⅲ級葉片為疲勞斷裂，裂紋起源于進(jìn)氣邊腐蝕區(qū)，之后沿葉盆側(cè)疲勞擴(kuò)展，并向葉背側(cè)發(fā)展。葉片進(jìn)氣邊存在大量由S，Cl元素導(dǎo)致的腐蝕坑，裂紋源區(qū)的腐蝕產(chǎn)物中也含有S，Cl等腐蝕性元素。

1.3 金相觀察

在HiROX HI-SCOPE KH-2700三維視頻顯微鏡和OLYMPUS GX51金相顯微鏡下對葉片組織進(jìn)行微觀觀察。

垂直斷裂葉片和選取的完好葉片葉身磨制金相試樣，在試樣的進(jìn)氣邊存在明顯的腐蝕坑，斷裂葉片的腐蝕坑相對較深，其典型腐蝕形貌如圖11所示。

圖11 斷裂葉片進(jìn)氣邊腐蝕坑截面形貌Fig. 11 Sectional appearance of erosion pits near the leading edge of the fractured blade

將試樣腐蝕后進(jìn)行觀察，兩片葉片組織均為回火馬氏體，但斷裂葉片的晶粒和組織相對于完好葉片明顯粗大，如圖12所示。

1.4 硬度測試

對斷裂葉片和完好葉片的葉身硬度進(jìn)行檢查，斷裂葉片硬度為326HBW，完好葉片硬度為360HBW，均符合硬度要求（311HBW～388HBW）。

圖12 葉身截面組織Fig.12 Microstructure of the cross sections

2 分析與討論

葉片斷口宏微觀觀察結(jié)果表明，葉片進(jìn)氣邊存在嚴(yán)重腐蝕，腐蝕區(qū)的深度為0.3～0.8 mm；疲勞裂紋從進(jìn)氣邊的腐蝕區(qū)處起源，疲勞擴(kuò)展區(qū)細(xì)膩平坦，可見細(xì)密的疲勞條帶，瞬斷區(qū)小，因此該葉片屬高周疲勞斷裂。

根據(jù)發(fā)動機(jī)返廠后的檢修結(jié)果，除了斷裂葉片以外，其他葉片中均不存在裂紋，即尚無裂紋萌生。由于同級壓氣機(jī)葉片的工作情況幾乎相同，也就是說，在此葉片工作的近1 300 h 內(nèi)，葉片的正常工作應(yīng)力尚不能使葉片萌生疲勞裂紋，更不會造成葉片發(fā)生高周疲勞斷裂，因此，應(yīng)重點分析促進(jìn)該斷裂葉片疲勞裂紋萌生的因素。

斷裂葉片進(jìn)氣邊存在嚴(yán)重腐蝕。金相檢查結(jié)果表明，表面腐蝕坑的深度在0.1 mm以上，而葉片的裂紋源區(qū)恰恰位于腐蝕區(qū)。如此深度的腐蝕坑，很容易成為疲勞裂紋源，從而大大降低了疲勞裂紋的萌生壽命。

壓氣機(jī)葉片的進(jìn)氣邊及葉盆側(cè)在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中直接承受空氣沖刷等作用，空氣中的污染物容易沉積在這些部位并引起葉片的腐蝕，宏觀觀察結(jié)果印證了這一點。1Cr11Ni2W2MoV 馬氏體不銹鋼在淡水和濕空氣中具有良好的耐蝕性，但在海水和海洋性氣候中使用時耐蝕性較差[5]。能譜分析表明正是S，Cl 元素導(dǎo)致了葉片的腐蝕，說明發(fā)動機(jī)的使用環(huán)境對葉片失效起到了促進(jìn)作用，而葉片腐蝕程度的差異可能與葉片個體晶粒組織差異有關(guān)。

葉片的疲勞斷裂失效除了與上述因素有關(guān)外，工作中的振動應(yīng)力也是一個不容忽視的因素。一些失效案例通過精密的計算和試驗證明，有些與腐蝕相關(guān)的葉片斷裂問題的主因與葉片共振有關(guān)[6]。

復(fù)查結(jié)果表明，葉片出廠時測頻為3 177 Hz，符合Ⅲ級壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片修頻不大于3 465 Hz 的要求，并且該型發(fā)動機(jī)經(jīng)過了長期使用，設(shè)計也經(jīng)過了不斷修正，正常情況下不會出現(xiàn)葉片共振現(xiàn)象。斷口觀察結(jié)果也否定了共振疲勞的可能，但轉(zhuǎn)子葉片在實際工作中不可避免地存在振動，典型的振型有一彎、二彎、三彎和一扭、二扭等。對于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，最重要的是一彎、二彎和一扭振型[7]。葉片在這些位置處振動應(yīng)力最大，也最容易發(fā)生斷裂。失效壓氣機(jī)葉片斷裂在2/3葉身處，該位置處于二彎共振區(qū)，振動應(yīng)力較大，因此，該葉片裂紋是在存在嚴(yán)重腐蝕損傷情況下發(fā)生的振動疲勞，腐蝕損傷對疲勞裂紋的萌生起著重要的作用。

3 結(jié)論

1）發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)Ⅲ級轉(zhuǎn)子葉片是在存在嚴(yán)重腐蝕損傷情況下發(fā)生的振動高周疲勞斷裂。

2）空氣中的S，Cl 元素導(dǎo)致葉片進(jìn)氣邊產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕損傷，對疲勞裂紋的萌生起著重要的作用。

[1]蘇清友.航空渦噴、渦扇發(fā)動機(jī)主要零部件定壽指南[M].北京：航空工業(yè)出版社，2004：111.

[2]傅國如，禹澤民，王洪偉.航空渦噴發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片常見失效模式的特點與規(guī)律[J]. 失效分析與預(yù)防，2006，1（1）：18—24.

[3]姜濤，薛潤東，劉高遠(yuǎn)，等.某發(fā)動機(jī)二級渦輪葉片斷裂失效分析[J].材料工程，2003，32（增刊）：162—165.

[4]陳丹明，程叢高.艦載飛機(jī)腐蝕防護(hù)與控制標(biāo)準(zhǔn)體系框架設(shè)計[J].裝備環(huán)境工程，2008，5（6）：41—43.

[5]《中國航空材料手冊》編輯委員會. 中國航空材料手冊[M].第2版.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002：474—475.

[6]劉慶瑔.發(fā)動機(jī)I級壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片斷裂分析[J].失效分析與預(yù)防，2007，6（2）：34—36.

[7]陶春虎，鐘培道，王仁智，等.航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動部件的失效與預(yù)防[M].2000：41.（余不詳）