某型航空發(fā)動機壓氣機二級轉子葉片掉塊故障分析

馬勁夫 許進升/ 南京理工大學 2 四達機械制造公司

0 引言

航空發(fā)動機壓氣機的功用是實現(xiàn)空氣壓縮，并供給燃燒室所需的壓縮空氣，同時還起到發(fā)動機和機翼防冰、座艙增壓加溫等作用。壓氣機部件的主要故障為葉片燒蝕、裂紋、掉塊。發(fā)動機工作過程中如果出現(xiàn)壓氣機葉片掉塊故障，往往伴隨著飛機喘振、發(fā)動機轉速下降等現(xiàn)象，最終可能導致發(fā)動機返廠排故，影響了部隊的作戰(zhàn)訓練。因此，研究解決此類故障對保證航空發(fā)動機的正常使用有著重要意義。

某臺發(fā)動機飛行后地面檢查發(fā)現(xiàn)壓氣機二級轉子鋁葉片排氣邊有1 處30mm×40mm 的掉塊，本文對其故障原因進行分析，以制定相應的排故方案和預防措施。

1 故障原因初步分析

該型發(fā)動機壓氣機為8 級軸流式結構，前6 級轉子葉片的材料為LY2。一至三級轉子葉片外表面有鉻酸陽極化保護層，但其防護能力不足，葉片容易被外來物打傷，產(chǎn)生腐蝕。在發(fā)動機工作過程中，如出現(xiàn)較大周期性外加激振力且等于葉片自振頻率時，也可能導致壓氣機葉片掉塊。另外，在生產(chǎn)過程中如出現(xiàn)葉片型面不滿足設計要求等質量問題也會導致葉片掉塊故障。環(huán)境腐蝕影響同樣可能導致葉片掉塊、折 斷。

2 故障排查及處置

2.1 斷口宏觀觀察

故障葉片的掉塊位于葉片葉尖排氣邊側，寬約28mm，長約30mm，呈弧形（見圖1）；斷口呈疲勞特征，由葉尖與葉盆側轉接部位起源，沿葉身縱向擴展一定長度后轉向排氣邊擴展，疲勞區(qū)面積約占斷口面積的90%。

圖1 斷口宏觀形貌

2.2 斷口微觀觀察

切取故障葉片斷口，電鏡觀察，疲勞源區(qū)位于葉尖與葉盆轉接處（見圖2），源區(qū)存在0.15mm×0.10mm 的沿晶開裂特征（見圖3），晶面較為光滑（見 圖4）。能譜分析結果表明，沿晶開裂區(qū)未見腐蝕性元素；源區(qū)附近葉盆面有寬約0.18mm、深約0.03mm 的損傷凹坑（見圖5），凹坑向斷面擠出變形，凹坑表面基本保留葉片原始形貌，從形貌判斷，凹坑為砂石類物體打傷所致，打傷出現(xiàn)在葉尖開裂后。疲勞擴展區(qū)有明顯弧線，條帶細密（見圖6）。從斷口來看，葉尖與葉盆面的轉接較為尖銳。

圖2 疲勞源區(qū)特征

檢查故障葉片葉尖摩擦發(fā)亮，未見異常刮蹭痕跡。顯微鏡下觀察，葉尖表面可見大量沿晶微裂紋，微裂紋大多沿進排氣邊方向分布，局部區(qū)域呈網(wǎng)狀特征（見圖7）。在葉尖取樣觀察葉片剖面顯微組織，從葉尖表面向下深約0.15mm 的區(qū)域內(nèi)可見多條縱向沿晶微裂紋，該區(qū)域內(nèi)晶界明顯粗化，局部可見復熔球（見圖8），表明該區(qū)域為過燒組織。其他區(qū)域顯微組織未見異常（見圖9）。斷口及金相檢查結果的綜合分析表明，葉尖表面的沿晶微裂紋與疲勞源區(qū)的沿晶開裂特征為同一模式，均為過燒引起的沿晶 開裂。

用顯微鏡檢查同臺發(fā)動機其余二級轉子葉片，發(fā)現(xiàn)2 片葉尖存在沿晶微裂紋，其中1 片葉尖表面均可見沿晶微裂紋，另外1 片葉片在靠近排氣邊三分之二區(qū)域可見沿晶微裂紋（見圖10），該區(qū)域表面氧化膜不完整，靠近進氣邊區(qū)域氧化膜基本完整，未見沿晶微 裂紋。

3 原因分析及結論

綜上分析認為，葉片在葉尖存在過燒引起沿晶微裂紋，降低了局部疲勞強度，加上葉尖與葉盆轉接處R 較小，造成局部應力集中，在離心力、氣動力、振動應力的共同作用下，葉片萌生疲勞裂紋并擴展斷裂。

4 預防及改進措施

1）為了避免壓氣機轉子鋁葉片葉尖的應力集中，應嚴格按工藝要求對葉片葉尖端面與葉盆、葉背轉接處R 以及葉尖尖角進行圓滑過渡，以保證葉片端面粗糙度符合要求。

2）按工藝要求嚴格控制車磨工序中粗加工、精加工的余量，防止壓氣機轉子鋁葉片車磨量選擇過大，對葉片葉尖產(chǎn)生影響。

圖3 沿晶區(qū)域尺寸

圖4 沿晶區(qū)表面特征

圖5 葉盆面損傷痕跡

圖6 擴展區(qū)疲勞弧線特征

圖7 網(wǎng)狀裂紋特征200X

圖8 葉尖過燒組織500X

圖9 正常區(qū)域顯微組織200X

3）壓氣機轉子鋁葉片車磨后應及時進行防腐蝕處理。

4）車工工序應保證壓氣機轉子外徑尺寸與外部機匣的配合間隙為上限，防止葉片在使用過程與機匣發(fā)生 刮蹭。

圖10 同臺同級葉片葉尖微裂紋200X