某型風扇轉子葉片裂紋失效分析

卜嘉利，高志坤，佟文偉，李 青，孫佳斯

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

風扇轉子葉片是航空發動機重要零部件之一，其質量的好壞直接影響發動機的可靠性和使用性能[1]。目前，風扇轉子葉片故障以榫頭處裂紋和葉身裂紋這2種失效模式為主[2-3]。一旦風扇轉子葉片失效，葉片碎塊會對壓氣機造成傷害，甚至會擊穿機匣，導致發動機不能正常工作，因此對風扇轉子葉片故障進行深入研究意義重大。

為研究某型發動機風扇轉子葉片在室溫下的疲勞性能，在該葉片第1階彎曲振型下進行振動疲勞試驗。葉片與試驗夾具之間固支方式為根部固支。利用動態電阻應變儀、電渦流位移傳感器和位移振幅測量儀等儀器，在電磁振動臺上進行振動疲勞試驗。試驗結束后，發現葉片榫頭和葉身處有裂紋萌生。該風扇轉子葉片材料為TC17鈦合金。TC17鈦合金是1種富β穩定元素的α-β型2相鈦合金，具有強度高、斷裂韌性好、淬透性高和鍛造溫度范圍寬等優點，在航空發動機風扇葉片等零部件上廣泛應用[4-7]。葉片主要加工工藝流程為鍛造、車加工、銑加工、振動光飾、手工精拋、噴丸和2次光飾。

本文通過對故障葉片外觀檢查、斷口宏微觀分析、表面檢查、金相組織檢查、成分分析、硬度檢查和有限元分析，確定了該故障葉片裂紋的性質，分析了裂紋萌生的原因，提出了改進建議。

1 檢查與分析結果

1.1 外觀檢查

葉片裂紋熒光顯示圖像如圖1所示。葉片共有2條裂紋，分別命名為A、B裂紋。從圖中可見，A裂紋位于葉身與緣板的轉接部位，裂紋沿葉片厚度方向裂透；B裂紋位于葉片榫頭工作面，沿榫頭厚度方向裂透，并擴展到葉背側葉身處，葉背側榫頭工作面有明顯的磨蹭痕跡，葉盆側榫頭工作面有明顯擠壓痕跡。

圖1 葉片裂紋熒光顯示圖像

1.2 斷口分析

將故障葉片的2條裂紋打開，斷口宏觀形貌如圖2所示，從圖中可見，斷口表面較平坦，呈金屬光澤，磨損較重，可見明顯的疲勞弧線和放射棱線特征，表明斷口性質為疲勞。根據疲勞弧線和放射棱線的方向判斷，A裂紋斷口疲勞起源于葉背側葉身與緣板的轉接區域；B裂紋斷口疲勞起源于葉背側榫頭工作面區域。

圖2 故障葉片斷口宏觀圖像

2條裂紋斷口源區微觀放大形貌如圖3所示。從圖中可見放射棱線特征，根據放射棱線的匯聚方向判斷，A裂紋斷口疲勞起源于葉背側葉身與緣板的轉接區域表面，B裂紋斷口疲勞起源于葉背側榫頭工作面的表面，均呈多源線性特征，源區均未見明顯的冶金缺陷。對2條裂紋斷口疲勞擴展區進行放大觀察，可見細密的疲勞條帶形貌（如圖4所示），進一步表明A和B裂紋斷口的性質均為疲勞。

圖3 A和B裂紋斷口源區微觀形貌

圖4 A和B裂紋斷口疲勞擴展區微觀形貌

斷口在超聲波清洗儀中清洗后，對B裂紋斷口源區表面基體進行能譜分析，結果見表1。從表中可見，表面基體含有大量的鐵元素。TC17鈦合金中鐵元素質量分數非常少，B裂紋斷口源區表面的鐵應是來源于葉片夾具。表明在試驗過程中，夾具與葉片榫頭夾持段相互碰摩，榫頭夾持段基體萌生了裂紋，夾具的鐵元素從裂紋中進入榫頭基體，從而使斷口源區表面基體的鐵元素質量分數偏高。

表1 B裂紋斷口源區表面基體能譜分析結果 wt%

1.3 表面檢查

A裂紋斷口源區附近表面宏、微觀放大形貌都可見明顯的加工刀痕，部分斷口源區沿加工刀痕斷裂如圖5所示。圖5（a）虛線圈內源區附近表面沿刀痕斷裂，而實線框內源區附近表面沒沿刀痕斷裂。圖5（b）虛線圈內源區附近表面沒沿刀痕斷裂，而實線框內源區附近表面沿刀痕斷裂。從A裂紋斷口源區附近表面存在加工刀痕可知，葉片葉身與緣板的轉接部位表面加工質量較差。

圖5 A裂紋斷口源區附近表面宏、微觀形貌

B裂紋斷口源區附近表面宏、微觀放大形貌如圖6所示。從圖中可見裂紋和較明顯的磨損痕跡，表明B裂紋斷口源區附近表面受到較大的擠壓應力。夾具與葉片裝夾如圖7所示。從圖中可見夾具邊緣與葉片榫頭接觸位置和B裂紋斷口源區附近表面的疲勞起源位置相重疊。

B裂紋斷口源區附近表面能譜分析結果見表2。此處同樣含有大量的鐵元素，進一步證明B裂紋斷口源區附近表面與夾具之間存在碰摩現象。

1.4 成分分析

故障葉片基體能譜分析結果見表3，主要合金元素質量分數符合標準要求。

圖6 B裂紋斷口源區附近表面宏、微觀形貌

圖7 夾具與葉片裝夾

表2 B裂紋斷口源區附近表面基體能譜分析結果 wt%

表3 故障葉片基體能譜分析結果 wt%

1.5 金相組織檢查

在故障葉片榫頭和葉身處取樣進行組織檢查，組織形貌如圖8所示。從圖中可見取樣均為典型的網籃組織，符合標準要求。

圖8 故障葉片組織形貌

1.6 硬度檢查

對故障葉片基體取樣進行硬度檢查，結果見表4，符合設計要求。

1.7 有限元分析

故障葉片A裂紋斷口疲勞起源于葉背側葉身與榫頭的轉接區域表面，源區有加工刀痕，且部分源區起始于加工刀痕。為明確加工刀痕對疲勞起源的影響，利用Abaqus有限元分析軟件對葉片進行應力分析。葉片模型和預制刀痕葉片模型（建模時預制刀痕深度為實際測量值8 um，刀痕深度采用optacom輪廓粗糙度儀進行測量）都在UG中建模生成，然后再導入Abaqus有限元分析軟件中。葉片有限元模型如圖9（a）所示，采用C3D10單元類型進行網格自動劃分，共劃分11295個單元，45176個節點。葉片預制刀痕有限元模型如圖9（b）所示，同樣采用C3D10單元類型進行網格自動劃分，共劃分23427個單元，43597個節點。在有限元分析時，榫頭部位邊界條件為根部固支。有限元分析結果如圖10所示。從圖中可見，在葉身與緣板的轉接部位表面沒有加工刀痕時，故障葉片第1階最大振動應力分布在遠離A裂紋斷口疲勞源區的葉身處，排除了最大振動應力對故障葉片A裂紋斷口疲勞起源的影響。而在葉身與緣板的轉接部位（A裂紋斷口疲勞源區附近）表面存在加工刀痕時，葉片第1階最大振動應力分布在加工刀痕處，說明加工刀痕促進了疲勞裂紋的過早萌生。

表4 故障葉片基體布氏硬度測量結果 HB/d

圖9 葉片有限元模型

2 分析與討論

由斷口分析結果可知，故障葉片裂紋斷口平坦光滑、可見疲勞弧線和放射棱線，擴展區可見細密的疲勞條帶等特征，表明故障葉片裂紋的性質為高周疲勞[8-10]。2條裂紋斷口疲勞源區未見明顯的冶金缺陷；成分和組織符合標準要求；硬度符合設計要求。以上結果說明該故障葉片疲勞裂紋的萌生與材質和冶金缺陷無關。

圖10 葉片第1階振動應力分布

A裂紋斷口疲勞源區附近表面可見明顯的加工刀痕，且裂紋斷口部分源區起始于加工刀痕。有限元分析結果表明，當葉片疲勞源區附近表面沒有加工刀痕時，葉片第1階最大振動應力部位與疲勞源區位置不重合；而當葉片疲勞源區附近表面存在加工刀痕時，葉片第1階最大振動應力分布在加工刀痕處。表明加工刀痕對疲勞裂紋的萌生起促進作用[11-12]。

從B裂紋源區附近表面有較明顯的磨損痕跡、裂紋斷口疲勞源區表面和疲勞源區附近表面都含有大量的鐵元素可知，在振動試驗過程中，夾具和葉片榫頭的夾持部位發生了相互磨蹭。研究表明[13-15]，鈦合金材料表面耐磨性較差，敏感性極高，鈦合金表面發生磨損會降低其表面完整性，使得抗疲勞性能下降，對疲勞裂紋的萌生起促進作用。

由圖 1（a）可知 A、B 裂紋相交且呈“T”字型，通過裂紋“T”型法理論（若1個零件出現2塊或者多塊碎片時，拼合后形成“T”字型，通常情況下，橫貫裂紋為主裂紋）[16]可以判斷，A裂紋的萌生早于B裂紋。再者通過對圖2（a）觀察可知，A裂紋斷口被B裂紋分為左右2個區域，將2個區域斷口拼合后形成完整的疲勞弧線，進一步證明A裂紋的萌生先于B裂紋，A裂紋疲勞擴展充分后，B裂紋才擴展到與A裂紋的交匯點，并繼續沿榫頭厚度方向擴展，不再沿葉片高度方向繼續擴展。

綜上所述，故障葉片A裂紋的萌生早于B裂紋。故障葉片A疲勞裂紋的萌生與葉片表面的加工刀痕有關，而B疲勞裂紋的萌生與夾具和榫頭夾持段的磨損有關。

3 結論

（1）某型風扇轉子葉片2條裂紋的性質均為高周疲勞，均呈多源線性特征；

（2）故障葉片A裂紋的萌生早于B裂紋；

（3）故障葉片表面的加工刀痕對A裂紋的萌生起促進作用，B裂紋的萌生與夾具和榫頭夾持段的磨損有關；

（4）2條裂紋的過早萌生與材質和冶金缺陷無關。