TC25鈦合金四級(jí)壓氣機(jī)盤失效分析

徐 銳，李 鴻，張宗林，馬 昆，李 巍，吳 萍

(1.中國(guó)人民解放軍駐黎陽(yáng)機(jī)械公司軍事代表室，貴州平壩561102;2.中航工業(yè)貴州黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司，貴州平壩561102)

0 引言

鈦合金是當(dāng)代先進(jìn)飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要結(jié)構(gòu)材料之一，要有效提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭的推重比，必須使用高比強(qiáng)度耐熱鈦合金［1］。目前先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片和風(fēng)扇葉片以及機(jī)匣等，均采用鈦合金制造，這類鈦合金用量大且均為關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)件，其失效具有典型性，往往會(huì)造成災(zāi)難性事故［2］。使用溫度超過400℃以上的鈦合金為高溫鈦合金［3］。選用先進(jìn)的高溫鈦合金并保證其在發(fā)動(dòng)機(jī)上長(zhǎng)時(shí)間使用的安全可靠性是研制新型高性能航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要前提。TC25(俄牌號(hào)ВТ25)鈦合金是20世紀(jì)70年代初前蘇聯(lián)研制的一種變形馬氏體型α+β兩相熱強(qiáng)鈦合金，屬Ti-Al-Zr-Sn-Mo-W-Si系，其名義成分為:Ti-6.8Al-1.7Zr-2Sn-2Mo-0.7W-0.2 和少量Si元素。TC25鈦合金是在Ti-Al基體上添加適量β穩(wěn)定元素制成的鈦合金，兼有 TC11(俄牌號(hào)BT9)合金的高熱強(qiáng)性和TC8(俄牌號(hào)BT8)合金的熱穩(wěn)定性。TC25鈦合金中含有Mo、W等高熔點(diǎn)的元素，熱強(qiáng)性、耐熱性很好，采用雙重退火制度時(shí)具有較高的綜合性能，使用壽命可達(dá)3000 h，是繼TC11鈦合金之后用量最大的高溫鈦合金之一，適合用來(lái)制造500～550℃工作溫度下長(zhǎng)時(shí)間使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件［3-7］。

某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)TC25鈦合金制四級(jí)壓氣機(jī)盤在進(jìn)行壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子低循環(huán)性能考核試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子振動(dòng)過大，試驗(yàn)被迫停止。分解檢查試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，發(fā)現(xiàn)四級(jí)壓氣機(jī)盤輻板周向嚴(yán)重開裂，有約50%長(zhǎng)度的裂紋穿透壓氣機(jī)盤輻板。設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量復(fù)查表明，用壓氣機(jī)盤的技術(shù)狀態(tài)參數(shù)符合要求。筆者主要圍繞材料性能、組織、化學(xué)成份和盤件斷口進(jìn)行失效分析。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 斷口宏觀觀察

試驗(yàn)過程中高壓一級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在下、九級(jí)轉(zhuǎn)子在上，試驗(yàn)用的整個(gè)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子除了位于轉(zhuǎn)子中部的四級(jí)壓氣機(jī)盤出現(xiàn)破裂外，其他各級(jí)壓氣機(jī)盤均未發(fā)現(xiàn)破裂現(xiàn)象。斷裂的四級(jí)壓氣機(jī)盤輪緣的一面與五級(jí)盤焊接結(jié)合，另一面通過上下隔環(huán)與三級(jí)壓氣機(jī)盤連接。四級(jí)壓氣機(jī)盤開裂位置在下隔環(huán)與輻板連接的R槽附(圖1)。對(duì)破裂的四級(jí)壓氣機(jī)盤進(jìn)行X光檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)高密度夾雜等缺陷。對(duì)高壓壓氣機(jī)組件上的五、六級(jí)盤也進(jìn)行X光檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)異常。對(duì)四級(jí)壓氣機(jī)盤進(jìn)行著色檢查，發(fā)現(xiàn)輪盤表面沿圓周方向存在大量犬牙形裂紋，在靠三級(jí)盤一側(cè)周向穿透裂紋長(zhǎng)度超過裂紋所在圓周周長(zhǎng)的一半，另一半圓周上也斷續(xù)地分布著多條未穿透裂紋;與穿透裂紋不在同一圓周上(位于穿透裂紋內(nèi)側(cè)的圓周上)呈徑向分布著部分微裂紋(圖2)。對(duì)五、六級(jí)壓氣機(jī)盤進(jìn)行著色檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。

圖1 壓氣機(jī)盤開裂位置Fig.1 Crack position

圖2 壓氣機(jī)盤著色痕跡顯示Fig.2 Coloring trace display of 4th compressor disk

在相同圓周上的完全斷裂位置和未完全斷裂位置分別取一段試樣進(jìn)行斷口觀察，完全斷裂位置的斷口宏觀形貌如圖3所示，從斷口顏色及裂紋擴(kuò)展情形分析，整個(gè)四級(jí)壓氣機(jī)盤周向裂紋都是從靠三級(jí)壓氣機(jī)盤一側(cè)的盤面上開裂，并向五級(jí)盤方向擴(kuò)展。宏觀判斷斷口大致分為2部分，一部分顏色呈褐色，斷面靠三級(jí)盤方向且基本垂直于盤面，形狀為弓形;另一部分顏色呈灰色，斷面靠五級(jí)盤方向且與盤面約呈45°夾角。人為對(duì)未完全斷裂試樣打開斷口觀察，斷口分為褐色區(qū)和灰色區(qū)(圖4)。從斷口的顏色可以判定裂紋也是從靠三級(jí)盤方向的盤面上開裂，并向五級(jí)盤方向擴(kuò)展。

圖3 斷口外觀Fig.3 Appearance of fracture surface

1.2 斷口微觀觀察

在掃描電鏡下觀察完全斷裂斷口，斷口可分為2部分，一部分為疲勞區(qū)，對(duì)應(yīng)宏觀斷口上的褐色區(qū)域;另一部分為瞬斷區(qū)，微觀形貌為韌窩特征，對(duì)應(yīng)原始斷口的灰色區(qū)域。發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)壓氣機(jī)盤沿圓周方向的斷口呈多源疲勞特征，疲勞區(qū)面積約占整個(gè)斷面的30%。疲勞源從三級(jí)盤方向萌生，向五級(jí)盤方向擴(kuò)展，疲勞斷口垂直于四級(jí)壓氣機(jī)盤表面。原始斷口上的灰色區(qū)域?yàn)樗矓鄥^(qū)，斷面相對(duì)平滑，但與盤表面有約45°的夾角。斷口特征見圖5～圖9。在掃描電鏡下觀察人為打開斷口，其形貌特征與完全斷裂斷口基本一致。對(duì)斷口源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)進(jìn)行能譜分析結(jié)果表明，源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)ω(O)≈14%，有氧化現(xiàn)象;瞬斷區(qū)ω(O)≈1%，基本無(wú)氧化。

圖4 斷口外觀(裂紋打開)Fig.4 Appearance of fracture surface artificially opened along crack

圖5 斷口低倍宏觀形貌Fig.5 Low-power feature on fracture surface

圖6 斷口源區(qū)微觀特征Fig.6 Microscopic feature of the source region

1.3 化學(xué)成分分析

在斷口附近取1塊試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，滿足技術(shù)條件要求，結(jié)果見表1。

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

在失效的四級(jí)壓氣機(jī)盤上取樣，參照表2技術(shù)要求分別進(jìn)行室溫、360℃和500℃下的斷裂強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率測(cè)試，結(jié)果見表3。

圖7 斷口擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶特征Fig.7 Microscopic fatigue feature of the propagation zone

圖8 斷口瞬斷區(qū)韌窩特征Fig.8 Dimples at the final rupture zone

圖9 人為打開斷口微觀特征Fig.9 Microscopic feature of the artificially opened zone

表1 化學(xué)分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Results of chemical constituents analysis(mass fraction/%)

表2 技術(shù)條件Table 2 Technical requirements

表3 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 3 Test results of mechanical properties

1.5 金相檢驗(yàn)

TC25鈦合金的典型組織類型與一般的α+β兩相鈦合金類似，主要為魏氏組織、等軸組織、雙態(tài)組織和網(wǎng)籃組織4種［5］。對(duì)出現(xiàn)失效的發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)壓氣機(jī)盤進(jìn)行解剖，按照技術(shù)文件對(duì)其破裂起始面進(jìn)行了腐蝕檢查，為網(wǎng)籃組織，組織合格;另對(duì)其輪緣、輻板、輪轂等多處位置進(jìn)行了組織檢查，組織均合格，見圖10。從表面及縱深2個(gè)面上的裂紋走向情況來(lái)看，裂紋擴(kuò)展與材料的組織無(wú)直接關(guān)系，見圖11和圖12。

2 分析與討論

2.1 失效性質(zhì)

對(duì)失效的發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)壓氣機(jī)盤進(jìn)行X光檢測(cè)，沒有發(fā)現(xiàn)異常，排除了壓氣機(jī)盤零件內(nèi)部存在高密度夾雜等缺陷的可能性，斷口上亦未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷;化學(xué)成分分析結(jié)果表明該零件化學(xué)成分正常，符合技術(shù)條件要求;金相檢查結(jié)果表明該零件組織正常;力學(xué)性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，失效件在室溫及500℃的斷裂強(qiáng)度均略低于技術(shù)條件要求，延伸率及斷面收縮率均合格，造成斷裂強(qiáng)度略低的原因可能和零件的最終熱處理狀態(tài)與該材料的標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度不同有關(guān):該型發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)壓氣機(jī)盤最終熱處理為900℃真空退火，原材料TC25的標(biāo)準(zhǔn)熱處理狀態(tài)為雙重退火［4］(溫度分別為950～970℃和530～570℃)。

圖10 輻板位置高倍組織形貌Fig.10 Microstructure morphology of the web plate

圖11 裂紋縱深走向Fig.11 The crack trend in depth and microstructure

圖12 裂紋表面走向Fig.12 The crack trend on surface and microstructure

發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)壓氣機(jī)盤開裂部位和斷面上的微裂紋基本處于下隔環(huán)與輻板連接的R槽附近的同一圓周上。斷口顏色、裂紋走向及斷面特征顯示，裂紋從靠三級(jí)盤方向的盤面上開裂，向著五級(jí)盤方向擴(kuò)展。盤面上龜裂現(xiàn)象及斷口上高低起伏不平、不連續(xù)的疲勞區(qū)表明斷口呈多源疲勞特征。發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤是發(fā)生低周疲勞損壞的主要航空鈦合金零部件［2］，且發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)壓氣機(jī)盤失效斷口具有典型的低周疲勞斷口特征［7］，即具有多個(gè)疲勞源點(diǎn)，源區(qū)間的放射狀棱線多而且臺(tái)階的高差大;瞬斷區(qū)的面積所占比例大，遠(yuǎn)大于疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)面積;疲勞弧線間距大，穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的棱線粗且短;與高周疲勞斷口相比，整個(gè)斷口高低不平，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)壓氣機(jī)盤的失效性質(zhì)為低周疲勞斷裂。

2.2 失效原因

為了減輕航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，無(wú)論壓氣機(jī)盤或渦輪盤都做得很薄，容易引起振動(dòng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子低循環(huán)性能考核試驗(yàn)過程中，由于轉(zhuǎn)子自身及試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段振動(dòng)應(yīng)力、離心力等復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的共同作用出現(xiàn)非正常的振動(dòng)，高頻振動(dòng)應(yīng)力疊加上正常工作應(yīng)力產(chǎn)生節(jié)圓振動(dòng)［9-10］。盤上質(zhì)點(diǎn)的振幅由中心到邊緣逐漸增大，在同一半徑的圓環(huán)上各質(zhì)點(diǎn)具有相同的振幅，在靠三級(jí)盤一側(cè)的四級(jí)壓氣機(jī)盤面的同一圓周上同時(shí)形成多處疲勞源，并向五級(jí)盤方向疲勞擴(kuò)展。壓氣機(jī)盤為彈性體零件，隨試驗(yàn)過程中振動(dòng)頻率增大，出現(xiàn)了容易引起輪盤斷裂失效的節(jié)徑振動(dòng)，表現(xiàn)為節(jié)徑線相對(duì)于盤產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的行波振動(dòng)［10］，在盤面穿透裂紋內(nèi)側(cè)圓周上出現(xiàn)沿徑向分布的大量微裂紋。以節(jié)圓振動(dòng)為主節(jié)徑振動(dòng)為輔的復(fù)合振動(dòng)在盤上的長(zhǎng)時(shí)間作用，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)盤破裂。

2.3 改進(jìn)措施

在導(dǎo)致壓氣機(jī)盤破裂的振動(dòng)型式中，節(jié)圓振動(dòng)起主導(dǎo)作用。節(jié)圓振動(dòng)的應(yīng)力相對(duì)較低，但疊加上正常工作應(yīng)力后往往導(dǎo)致輪盤的低周疲勞斷裂。由于失效大都是非包容性的，最終破壞時(shí)盤緣易甩出，危險(xiǎn)性較大，后果十分嚴(yán)重［9］，必須制定措施實(shí)施改進(jìn)。相同狀態(tài)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)上的整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)表明:四級(jí)壓氣機(jī)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足戰(zhàn)技指標(biāo)要求，加工制造質(zhì)量符合要求，發(fā)動(dòng)級(jí)四級(jí)壓氣機(jī)盤在試驗(yàn)中破裂主要原因是試件在試驗(yàn)器上的懸臂固定導(dǎo)致轉(zhuǎn)接段振動(dòng)過大，應(yīng)從試驗(yàn)器轉(zhuǎn)接段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手改善轉(zhuǎn)子性能考核試驗(yàn)中盤件的振動(dòng)特性，防止出現(xiàn)節(jié)圓振動(dòng)。考慮到壓氣機(jī)盤為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，為確保其使用的安全可靠性，建議在輪盤設(shè)計(jì)中改善關(guān)鍵部位裂紋的可檢測(cè)性，嚴(yán)格控制輪盤熱加工工藝;生產(chǎn)制造過程中嚴(yán)格控制加工制造質(zhì)量，減少因加工帶來(lái)的損傷;對(duì)輪盤下隔環(huán)與輻板連接的R槽等關(guān)鍵部位盡量采取噴丸強(qiáng)化措施，提高表面疲勞抗力。

3 結(jié)論

1)發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)壓氣機(jī)盤失效性質(zhì)為低周疲勞斷裂;

2)四級(jí)壓氣機(jī)盤產(chǎn)生低周疲勞斷裂的原因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子低循環(huán)性能考核試驗(yàn)過程中，由于振動(dòng)應(yīng)力、離心力等復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的共同作用產(chǎn)生以節(jié)圓振動(dòng)為主，節(jié)徑振動(dòng)為輔的復(fù)合振動(dòng)。

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