某型號發動機離心葉輪葉片裂紋產生的原因與故障排除

馮小珍

（中航工業南方航空工業（集團）有限公司,湖南株州 412002）

某型號發動機離心葉輪葉片裂紋產生的原因與故障排除

馮小珍

（中航工業南方航空工業（集團）有限公司,湖南株州 412002）

0 前言

某型號發動機在做檢查時,發現離心葉輪一片葉片在進氣邊中部有一條宏觀裂紋,其長度約8 mm。由于故障為重復出現,影響到該型號發動機的生產與交付,因此,尋找產生故障的真實原因并采取行之有效的措施具有重要的意義。

1 故障分析

離心葉輪的原材料為2A70（LD7）,檢查原材料符合 GB/T 3191《鋁及鋁合金擠壓棒材》的要求。對斷口、金相、能譜及工藝試驗綜合分析結果表明:離心葉輪葉片表面普遍存在腐蝕坑,葉片前緣腐蝕坑底的沿晶微裂紋的性質為應力腐蝕裂紋;而葉片表面的點蝕對疲勞裂紋的萌生與擴展起到促進作用。因此要排除故障就必須尋找產生腐蝕坑的原因。

1.1 初步分析

對該批零件的加工情況進行檢查,對新零件金相檢查發現表面普遍存在點蝕現象,因此可以斷定點蝕在未出廠前就已存在。

對經機加工最后一道拋光工序后所得零件的表面狀態進行檢查,金相檢查結果未發現腐蝕坑。

1.1.1 試驗方案

離心葉輪加工流程中只剩下鉻酸陽極氧化工序。鉻酸陽極氧化工藝流程為:在鉻酸陽極氧化過程中易產生腐蝕坑的工步可能有堿蝕、鉻酸陽極氧化。為了尋找到產生腐蝕坑的工步,對已拋光的離心葉輪安排如下試驗:

1.1.2 結果與討論

表1為經3種試驗所得葉片表面狀態的金相檢查結果。

表1 葉片表面狀態的金相檢查結果

由表1可知:經堿蝕后的葉片表面只有少量的坑且深度也不深,但試樣只要經過鉻酸陽極氧化,葉片表面腐蝕坑就普遍存在且有增多加深的趨勢。因此可以推斷,腐蝕坑是在鉻酸陽極氧化工序產生的,更準確的說腐蝕坑是在鉻酸陽極氧化工步產生的。

1.2 分析

按企標《鋁及鋁合金陽極氧化工藝說明書》規定鉻酸陽極氧化的溶液成分及工藝參數確定以下3種試驗方法:（1）在5～10 min內將電壓逐步升高至（40±1）V,保持電壓穩定30～50 min;（2）在20～30 min內將電壓逐步升高至（40±1）V,保持電壓穩定 15～20 min,再將電壓在 5 min中內升至（50±1）V,保持電壓穩定50～60 min;（3）在5～10 min內將電壓逐步升高至（20±1）V,保持電壓穩定30～50 min。

從上述工藝規范可以看出影響鉻酸陽極氧化膜層質量的工藝參數有:溶液各成分的質量濃度、電壓、溫度等,為此通過以下試驗尋找產生腐蝕坑的原因。

1.2.1 試驗方案

試驗對象:2A70試片,尺寸為70 mm×5 mm;熱處理狀態:與零件熱處理狀態相同。

試驗步驟:（1）化驗鉻酸陽極氧化槽液的主要成分及雜質的質量濃度;（2）在槽液符合企標《鋁及鋁合金陽極氧化工藝說明書》的前提下,按照除油封閉的工藝方法進行處理;其中鉻酸陽極氧化的電壓和時間參數分別按1.2中的（1）、（2）、（3）3種方法進行,并檢查試片表面形貌及陽極氧化膜的厚度;（3）將試片寄往兄弟廠按對方工藝進行鉻酸陽極氧化,并檢查試片表面形貌。

1.2.2 試驗結果

（1）槽液成分分析結果

根據槽液分析結果,鉻酸陽極氧化的主要成分的質量濃度均符合企標的規定。

（2）工藝參數的影響

表2為工藝參數對葉片表面狀態的金相檢查結果的影響。

表2 葉片表面狀態的金相檢查結果

（3）兄弟廠的試驗結果

兄弟廠的最終試驗結果為表面普遍存在腐蝕坑,深度約為20μm。

1.2.3 原因分析

鋁合金陽極氧化是兩種不同的化學反應同時進行的結果,一種是電化學反應,鋁與陽極析出的氧生成Al2O3;另一種是化學反應,電解液對Al2O3不斷地溶解,只有當生成速率大于溶解速率時,氧化膜才能順利長大并保持一定的厚度。通常鋁合金陽極氧化膜有兩層結構,靠近基體金屬的是一層薄而致密的純Al2O3層,為阻擋層;靠近電解液一邊的氧化膜,即:從阻擋層向外的多孔質氧化層,由帶結晶水的Al2O3組成。由于這些孔的存在,才能保證電解液進入氧化膜內,使基體連續不斷地成膜。在電化學反應發生時,會導致鋁合金內部發生組織不均勻,導致形成的阻擋層的成分不均勻、結構不致密,并發生溶解。當阻擋層被破壞后,由于不均勻的組織較活潑,在電解液的作用下發生腐蝕。隨著電壓的增大,溶液中的離子具有更高的能量,從而加快了傳遞速率,在優先腐蝕處不斷提供新的電解液從而加快了腐蝕速率,這就是造成槽電壓愈高腐蝕坑愈深的原因。

兄弟廠陽極氧化后的試片表面也普遍存在腐蝕坑,且深度為20μm,因此可以推斷對2A70試片采用鉻酸陽極氧化工藝不可避免會產生腐蝕坑。現我公司的硫酸陽極氧化工藝成熟穩定,其耐鹽霧試驗的要求（500 h）高于鉻酸陽極氧化（300 h）的。為排除故障,進行硫酸陽極氧化工藝試驗。

2 硫酸陽極氧化試驗

2.1 試驗方案

2.2 試驗結果

試片經重鉻酸鹽封閉后為淺黃色,膜層連續、均勻、完整;中性鹽霧試驗時間可達500 h。取2片葉片進行金相檢查,葉片表面無腐蝕坑,陽極氧化膜層厚度為15μm。因此可以確定采用硫酸陽極氧化工藝是可行的。

3 結論

通過工藝試驗證明了鉻酸陽極氧化是導致故障的根本原因。對離心葉輪的表面處理采用硫酸陽極氧化工藝,經硫酸陽極氧化工藝試驗所得試片表面無腐蝕,故障排除。

TG 174

B

1000-4742（2011）04-0050-02

2011-01-21