某型發動機渦輪葉片榫頭裂紋故障分析

聞騰炬 王宏衛 梁鵬

摘要：某型發動機大修時，熒光檢查發現渦輪I級轉子葉片第一道榫齒（近葉身）有裂紋，為該系列發動機修理中首次發現。通過系統的故障分析，確定了故障原因，杜絕了風險隱患。

關鍵詞：渦輪葉片；裂紋；疲勞

Keywords：turbine blade；crack；fatigue

1 故障描述

某型發動機大修時，熒光檢查發現渦輪I級轉子38號葉片第一道榫齒（近葉身）有裂紋顯示，從熒光顯示走向來看，裂紋沿榫齒根部延伸至榫頭端面（見圖1）。

為進一步確定故障性質，將葉片榫頭端面拋光后在顯微鏡下觀察，確定熒光顯示區域為裂紋（見圖2）。此故障為該型發動機修理中的首次發現。

2 問題定位

根據故障現象，分析可能導致渦輪葉片榫頭裂紋的原因，列出故障樹（見圖3），對故障樹每個底事件進行分析、排查，找出渦輪I級轉子葉片榫頭裂紋的原因。

3 排查情況

3.1 葉片與減振墊磨損情況對比分析

I級葉片裝配時在下緣板之間需安裝減振墊，以達到約束葉片振動的作用（見圖4）。發動機工作時，葉片受氣流激振，下緣板會與減振墊產生磨損。對比故障葉片及該級其余葉片下緣板與減振墊接觸部位的磨損痕跡發現，各葉片在相同部位均有磨損痕跡，38號葉片的磨損痕跡較為明顯，不過該級葉片中的36號葉片的磨損痕跡與之相近（見圖5）。由此可以確定，38號葉片下緣板與減振墊接觸部位是正常磨損痕跡。

3.2 葉片與盤配合部位的微動磨損分析

對比故障葉片與該臺發動機其余I級葉片榫頭工作面的磨損情況，故障葉片榫頭磨損宏觀形貌與其余葉片相似，為工作面在應力作用下的正常微動磨損。裂紋起源于榫齒根部，該部位在工作時與榫槽不接觸，實際檢查該處時也無接觸磨損痕跡。

3.3 渦輪盤外觀及探傷檢查

目視檢查渦輪盤榫槽表面狀態，與其余榫槽相比，38號榫槽的工作面有正常磨損痕跡，無明顯差異。各榫槽未見榫齒變形、崩齒、剝落故障。對渦輪盤進行熒光探傷也無裂紋。

3.4 葉片與盤的配合檢查

該型發動機修理時未要求對渦輪盤榫槽、渦輪葉片榫頭進行單獨尺寸測量，僅規定在配套的葉片按靜力矩排序后，將每個葉片依次安裝于相應的榫槽中，在規定的葉尖處檢查葉片在榫槽軸線垂直方向的切線活動量，應在0.6～1.1mm范圍內。葉片切線活動量可以反映出渦輪葉片榫頭與渦輪盤榫槽的配合狀態。

為驗證故障葉片榫頭與渦輪盤榫槽的配合情況，將故障葉片安裝于對應的榫槽，在葉尖處測量其切線活動量為0.4mm。隨機選取其余9個榫槽，測量故障葉片在9個榫槽安裝時的切線活動量分別為0.50mm、0.45mm、0.45mm、0.55mm、0.45mm、0.5mm、0.50mm、0.45mm、0.50mm，均不合格，其中該葉片安裝于38號榫槽時的切線活動量最小。

為進一步對比分析渦輪盤38號榫槽是否有異常，選取新品葉片、故障發動機葉片、壽命相近葉片、大壽命葉片各20片，分別安裝于38號榫槽中，測量得到的切線活動量在0.3～0.55mm范圍內，均不合格；將所選葉片隨機安裝于其他榫槽，再次測量切線活動量，在0.6～0.9mm范圍內，均合格。四種不同狀態葉片活動量測量結果對比如圖6～圖9所示。

通過對比分析可知，故障渦輪葉片安裝于對應渦輪盤的10個榫槽（含38號）中，測量得到的切線活動量均小于下限值，說明葉片榫頭可能存在問題。在渦輪盤38號榫槽安裝各狀態葉片80片，測量切線活動量均小于下限值，在同一渦輪盤隨機選取其他榫槽安裝80片樣品，測量切線活動量均合格，說明渦輪盤38號榫槽型面尺寸存在問題。

3.5 葉片跨棒距檢查

查閱高壓渦輪I級葉片設計圖樣，確定了葉片榫頭跨棒距尺寸，該渦輪葉片依據不同的跨棒距尺寸分為三個組別。跨棒距測量示意圖見圖10。

選取相應滾棒，測量故障葉片的跨棒距。為對比檢查葉片跨棒距，從測量葉片切線活動量的樣品中選取故障發動機葉片10片，測得的跨棒距結果見表1。故障葉片與該發動機其余葉片相比，3號、4號跨棒距明顯偏大，2號、5號跨棒距接近。根據跨棒距測量原理，當測量用滾棒一定，葉片榫頭磨損后，其跨棒距尺寸減小。測量對比結果表明故障葉片在3號、4號對應的榫齒磨損較小，反映出該葉片在工作狀態榫齒受力與同級其余葉片有差異，各個榫齒受力不均，葉片榫頭與盤榫槽可能存在異常接觸。

3.6 榫頭、榫槽底部倒角檢查

渦輪I級轉子葉片榫頭共五道齒，遠離轉子軸心的最外側齒為第一道齒，裂紋出現在第一道齒。一道榫齒根部R圖樣尺寸為R0.5～R0.6。

測量故障葉片榫齒根部R，并從檢查切線活動量的樣品中抽取故障發動機葉片3片、壽命相近葉片3片、新品葉片3片，在第一道榫齒四個區域分別取樣膏檢查榫齒根部R尺寸。

選1號、38號、50號榫槽，測量與葉片裂紋出現榫齒配合的渦輪盤第一道榫齒根部R尺寸，結果見表2。

從檢測結果來看，38號故障葉片一道榫齒根部R符合圖樣要求，對應的渦輪盤38號榫槽一道齒根部R也符合圖紙要求，但是38號榫槽在葉背面的兩個R實測值為0.45mm，略微小于葉盆面的兩個R實測值0.50mm（見圖11）。

渦輪盤榫槽加工需經過多次拉削，榫槽根部R為一次拉削后成型，正常情況下同一個渦輪盤榫槽根部R的拉削應是同一把拉刀在相同定位條件下拉削成型，不應出現根部R不均情況，故障發動機渦輪盤可能在拉削過程中存在問題。

3.7 發動機工況分析

統計發動機履歷本記載的該發動機外場服役過程58次試車的主要參數，分析各狀態高壓轉子轉速、排氣溫度、振動值參數變化情況，均未見異常。發動機在外場使用各個階段均符合技術標準要求，不存在超溫、超轉、異常振動情況。

4 失效分析

4.1 斷口宏觀檢查

沿故障葉片第一道榫齒根部裂紋附近剖開斷面，宏觀觀察斷面，斷口呈現線源開裂，裂紋沿榫齒根部向下擴展，表面氧化嚴重，源區未見機械損傷、異常磨損和腐蝕痕跡。

4.2 電鏡檢查

將打開的榫頭斷面清洗后在電鏡下觀察，斷口呈線源開裂，放射棱線起始于榫齒根部，沿榫齒根部向下擴展，斷面可見清晰的疲勞弧線（見圖12）。放大觀察，可見源區斷面棱線明顯（見圖13），表面氧化嚴重，源區未見機械損傷、異常磨損和腐蝕痕跡。擴展區疲勞條帶細密（見圖14）。

4.3 材料組織分析

在斷口附近磨制金相試樣觀察，可見γ呈方形，未見γ聚集長大特征，無過熱過燒現象，為K465正常組織，表面無滲鋁硅銥污染。

4.4 綜合分析

金相分析表明，葉片組織正常，無過熱過燒，無滲鋁硅銥污染。從斷口分析可知，榫頭裂紋源區為線源開裂，無機械損傷、異常磨損和腐蝕特征。線源開裂說明葉片開裂起始應力較大，由于葉片榫頭與盤榫齒屬間隙配合，可在一定范圍內活動，可見起始大應力非裝配應力，應為非正常的工作應力，工作大應力的產生可能為盤與葉片配合不良或發動機超載工作所致。

4.5 失效分析結論

高壓渦輪I級轉子38號葉片第一道榫齒裂紋屬線源起裂的高周疲勞裂紋，起始應力較大，裂紋起源于榫齒根部，葉片組織正常，源區未見機械損傷、異常磨損、腐蝕和制造缺陷。

5 結論

渦輪I級轉子葉片工作在高溫高轉速下，承受氣流激振應力、溫度交變循環應力、較大離心力。葉片的離心力主要由榫頭的5道榫齒承受，每道榫齒與榫槽為均勻配合狀態，在葉片工作時共同承受離心力。當渦輪葉片榫頭與渦輪盤榫槽配合不均勻時，將導致個別榫齒與榫槽的異常接觸，而其余榫齒無法產生有效的面接觸，個別榫齒承受的離心力會超過設計要求。榫齒在較大離心應力作用下，加之葉片工作過程中氣流激振導致持續的高頻低振幅振動，將導致大應力區萌生疲勞裂紋。

從故障葉片型面檢查來看，榫頭型面尺寸基本未偏離設計值，但是與同級其余葉片相比發現各榫齒磨損量不均勻。故障葉片對應的渦輪盤榫槽型面尺寸也未偏離設計，但是38號葉片第一道榫槽根部R尺寸在葉背面小于葉盆面。根據渦輪盤榫槽加工過程分析，此處R的差異可能是加工過程控制不當所致，此差異可能導致該榫槽與葉片榫頭配合不均勻。四種狀態共80個樣品葉片的活動量測量結果也反映出38號榫槽安裝葉片后切線活動量偏小，盤、片配合未達到設計要求。

綜上可得，渦輪I級轉子38號葉片榫齒根部裂紋故障原因是渦輪盤制造過程控制不當，38號榫槽尺寸不均勻，葉片裝配后盤、片接觸不均勻，使第一道榫齒承受的離心力超過了設計值，導致第一道榫齒萌生疲勞裂紋，裂紋萌生后在葉片高頻低振幅的振動應力下出現了高周疲勞擴展。

作者簡介

聞騰炬，工程師，主要從事航空發動機轉子部件修理技術工作。

王宏衛，工程師，主要從事金相分析技術工作。

梁鵬，助理工程師，主要從事航空發動機渦輪部件修理技術工作。