某高壓壓氣機第4級轉子葉片斷裂分析

高志坤，胡 霖，張開闊，李 洋，劉 冬

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

壓氣機是燃氣輪機的關鍵部件之一，其主要作用是提高工作介質的空氣壓力。轉子葉片數量多、形體單薄、轉速高，以及載荷、工況復雜，使其成為使用中故障率最高的零部件之一[1]。轉子葉片最常見的失效模式為疲勞失效，其原因多種多樣，主要包括共振、外物打傷、腐蝕、材質缺陷、微動損傷、葉尖碰摩等[2-5]。國內外學者對碰摩故障的動力學機理和碰摩模型進行了深入研究[6-10]，認識了由碰摩故障導致的波形截頭、倍頻、分頻以及混沌等特征和現象，并通過試驗驗證了理論分析的正確性[11-13]。然而，碰摩使葉片承受非正常沖擊載荷引起的葉片疲勞失效分析方面未見國內外相關報道，并且與傳統葉片共振的失效模式差異性較難界定。

在某型燃氣輪機試車時，1片高壓壓氣機第4級轉子葉片發生斷裂故障，導致該級其它轉子葉片及其后面的轉子、靜子葉片被打傷、變形。高壓壓氣機第4級轉子葉片由綜合性能較好的GH4169高溫合金模鍛成形。工藝流程主要為：下料→探傷→鍛造→切邊→校正→檢驗→熱處理→粗加工→精加工→拋光→噴丸→振動光飾等。類似故障在燃氣輪機上首次發生，因而探究其失效機理，對進一步完善設計和改進工藝有一定借鑒意義。

本文通過對斷口的宏、微觀形貌觀察、表面檢查、成分分析、組織檢查、硬度檢測等多方面對故障葉片進行分析，以明確其失效模式及原因，并提出相應的改進措施。

1 試驗與結果

1.1 宏觀檢查

故障葉片宏觀形貌如圖1所示。斷裂發生在葉身根部、距離緣板表面約1 mm的葉背與緣板的轉接R區。從圖中可見，斷口平坦，呈銀灰色，無明顯氧化色，進、排氣邊和葉盆側邊緣可見剪切唇特征，說明裂紋應起源于葉背側；葉背側裂紋大體平直，中間段有長約8.15 mm的下沉臺階。

圖1 故障葉片宏觀形貌

故障葉片榫頭宏觀形貌如圖2所示。從圖中可見，故障葉片榫頭工作面擠壓、磨損痕跡明顯，且分布不均，呈對角擠壓特征，如圖3所示；葉片對應的第4級轉子外環塊涂層磨損嚴重，并有大面積脫落現象，表明轉子葉片葉尖與機匣涂層碰摩，如圖4所示。同級其他葉片榫頭工作面損傷痕跡輕微，未見明顯的對角擠壓特征，如圖5所示。

圖2 故障葉片榫頭形貌

圖3 故障葉片榫頭壓痕位置

圖4 轉子外環塊涂層損傷形貌

圖5 同級其他葉片榫頭形貌

1.2 斷口宏觀觀察

故障葉片斷口宏觀放大形貌如圖6所示。從圖中可見，斷口處有明顯的疲勞弧線特征，表明故障葉片斷口應為疲勞斷口[14]；從疲勞弧線的方向判斷疲勞源位于葉背側表面，向進、排氣邊和葉盆側側擴展，源區呈線性特征。

圖6 整流支板斷口宏觀形貌

1.3 斷口微觀觀察

采用LEO1450型掃描電鏡對故障葉片斷口進行觀察，低倍形貌如圖7（a）所示。從圖中可見，在斷口處有明顯的疲勞弧線和放射棱線特征，由其方向進一步表明故障葉片從葉背側向進、排氣邊和葉盆方向疲勞擴展。疲勞分3個臺階線性從葉背側表面起始，中間臺階長約8.0 mm，為主源，次源位于主源兩側，表明葉片為多源疲勞斷裂。對疲勞源區放大觀察，形貌如圖7（b）、（c）所示。從圖中可見，源區有一定程度磨損，未見明顯的冶金缺陷，表面有一淺層無明顯斷裂特征區域，應為葉片原始加工刀痕，疲勞裂紋起源于該區域。源區高倍形貌如圖7（d）所示。從圖中可見，淺層區域（加工刀痕）深入基體約4.4μm，表明疲勞起源與加工刀痕有關；此外，在疲勞起始區可見疲勞條帶特征。在疲勞擴展區中部，主要呈韌窩+疲勞條帶特征，擴展后期為韌窩形貌，分別如圖 7（e）、（f）所示。

圖7 斷口微觀形貌

1.4 表面檢查

采用掃描電鏡對葉片疲勞源區附近葉背表面進行觀察可見，在斷口主疲勞源下方還存在多條明顯的平行加工刀痕，形貌如圖8（a）所示；放大觀察該加工痕跡，已局部開裂，如圖8（b）所示，說明故障葉片斷口起始應力較大；疲勞源附近表面為噴丸+振動光飾后形貌，仍可見明顯加工痕跡，如圖8（c）所示；葉片噴丸工藝試片表面噴丸覆蓋率遠低于100%要求，如圖 8（d）所示。

圖8 斷口微觀形貌

1.5 成分分析

利用能譜分析儀對葉片基體、斷口源區和擴展區分別進行成分分析，結果見表1。從表中可見，故障葉片基體成分滿足標準要求；在斷口疲勞源區、擴展區除基體材料成分外，還含有O元素，且疲勞源區氧含量高于擴展區的，表明可能與葉片斷口磨損有關。

表1 能譜分析結果 W/%

1.6 硬度測試

在故障葉片斷口附近取硬度試樣，用TH320型全洛氏硬度計測定洛氏硬度，結果為415、415、420 HB，符合≥346 HB的技術要求。

1.7 金相檢查

從與故障葉片相同鍛造批次的葉片葉身和榫頭截取金相試樣，將其打磨、腐蝕后觀察顯微組織，形貌如圖9所示。結果見表2，符合標準要求。

圖9 葉片組織形貌

表2 葉片金相組織檢查結果

1.8 模擬試驗

為了明確故障葉片大應力疲勞起始的成因，選取3片葉片進行共振頻率下的振動疲勞試驗，振動應力為1300 MPa。其中有1片葉片試驗后裂紋位置與故障葉片的相近，形貌如圖10所示。從圖中可見，裂紋斷口為單源疲勞，斷口較細膩，擴展區未見疲勞弧線特征，源區呈類解理形貌，近源區未見疲勞條帶，榫頭工作面擠壓痕跡輕微，未見明顯的對角擠壓特征，上述形貌特征與故障葉片斷口特征不符。

2 失效原因分析

故障葉片的材料成分、組織和硬度均滿足標準要求，表明該葉片的斷裂與材質與冶金缺陷無關。

對斷口的宏觀和微觀檢查表明，故障葉片斷裂性質為疲勞斷裂，疲勞起源于葉身的葉背與緣板轉接R處，源區呈多源、線性，起始區即可見到疲勞條帶特征，表明故障葉片疲勞斷裂起始應力大。

故障葉片所受大應力的來源有2種可能：

（1）葉片存在共振。該型機第4級轉子葉片動應力測量結果表明葉片動強度儲備滿足要求；葉片共振頻率下的振動疲勞模擬試驗結果顯示裂紋斷口為單源疲勞，斷口較細膩，擴展區未見疲勞弧線特征，源區呈類解理形貌，近源區未見疲勞條帶，榫頭工作面擠壓痕跡輕微、未見明顯的對角擠壓特征，均與故障葉片斷口特征不符；此外，超過百臺發動機，大于上萬小時使用時間，未發生由葉片共振引發的故障。因此可排除葉片由于共振產生裂紋或斷裂。

（2）由于葉尖與機匣涂層嚴重碰摩，使葉片承受非正常沖擊力。葉片與機匣每次碰摩，近似1個沖擊過程，葉片與機匣接觸階段即發生碰摩，葉片的徑向應力發生急劇變化。在極短時間內，葉尖、葉中和葉根的最大應力在葉片與機匣“接觸-碰撞”后依次發生，葉片沿葉高方向受到1個徑向沖擊加載波的作用，葉身有明顯的應力波傳導，葉尖的碰摩瞬時應力最大，葉根的平均應力水平最大，影響葉片葉身應力的瞬時分布和變化規律[15]。此外，從葉片型面復查結果可知（內容從略），故障葉片型面位置度由葉盆向葉背偏移超差0.271 mm，造成故障葉片徑向變形量增加約0.12 mm，使故障葉片成為本級葉片中最“長”葉片，導致該葉片碰摩更嚴重、碰摩力更大，榫頭工作面對角擠壓嚴重，機匣涂層大面積脫落，使故障葉片在旋轉過程中，在涂層掉塊嚴重的部位受到較大的碰摩沖擊力，是導致葉片根部損傷、萌生裂紋的主要原因。

構件的形狀和材料性質急劇改變處（一般在構件的臺階、轉角、溝槽以及材料缺陷等附近），會產生局部高應力（σmax）應力集中，且缺陷或轉角等形狀愈尖銳，材料的強度愈高，應力集中系數也就愈大[16]。本故障葉片萌生疲勞裂紋的位置恰是葉背與緣板轉接R處（規定值1.7+0.5），該處表面存在明顯的多條平直機械加工刀痕，疲勞源處刀痕深入基體約4.4μm，大于設計表面粗糙度Ra=0.8μm的要求，破壞了葉片表面完整性，提高了源區應力水平，加之GH4169合金具有一定的缺口敏感性[17]，在周期沖擊應力作用下促使故障葉片過早誘發疲勞裂紋萌生；但除故障葉片外，該級有多片葉片葉背與緣板轉接R處加工痕跡明顯，且復查表面粗糙度Ra也超出設計要求，但這些葉片并未出現裂紋，說明故障葉片的原始加工刀痕對疲勞裂紋的萌生僅起促進作用，并不是主要原因。

從對故障級葉片加工工藝復查可知，葉片后期機加工藝依次是拋光、噴丸和振動光飾。通常噴丸強化過程是使用壓縮空氣將大量的彈丸噴射到工件的表面上，在工件表面積累大量壓應力，表層組織在彈丸的大力打擊下會發生動態再結晶，表層組織細化，葉片表面粗糙度值會略有提高，對于較淺的加工刀痕有一定的去除作用；振動光飾是通過磨料和零件的相對運動，產生微量的磨削加工作用，去除零件表面的尖邊和微小凸起，促使零件表面粗糙度值降低。經過噴丸+振動光飾的葉片表面產生了殘余壓應力，在交變應力下裂紋萌生和擴展的勢壘提高，抗疲勞破壞的能力增強，一般噴丸效果好的葉片疲勞裂紋萌生于葉片的亞表面，而故障葉片疲勞裂紋并未萌生于該處，且葉片噴丸工藝試片表面檢查顯示噴丸覆蓋率遠低于100%，進一步說明葉片噴丸質量差對裂紋的萌生起促進作用。

3 結束語

（1）故障葉片斷裂為疲勞性質，且與材質和冶金缺陷無關；

（2）故障葉片葉尖與機匣涂層嚴重碰摩，使葉片承受非正常沖擊力是葉片疲勞斷裂的主要原因；

（3）葉片原始加工刀痕和噴丸質量差對疲勞裂紋萌生起促進作用；

（4）建議提高葉片加工質量，按照精品工程工藝加工，控制合理的葉片與機匣涂層之間的間隙，避免產生非正常碰摩。