某發(fā)動機后擋板低循環(huán)疲勞試驗失效分析

于晶 劉勇軍

摘 要：從冶金分析、設(shè)計與工藝復(fù)查、強度計算等方面對某型發(fā)動機二級盤后擋板低循環(huán)疲勞試驗提前失效原因進行了分析。通過分析確定了故障原因，并制定了相應(yīng)的排故措施，最后試驗驗證了措施的有效性。

關(guān)鍵詞：擋板;低循環(huán)疲勞試驗;失效分析;改進措施

中圖分類號：V263.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）08-0114-03

發(fā)動機燃氣渦輪轉(zhuǎn)子是發(fā)動機的重要部件，工作時，不僅承受燃燒室出口高溫、高壓和高速氣流的沖擊，經(jīng)受高溫燃氣引起的腐蝕和侵蝕，工作環(huán)境惡劣，還承受著高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力、氣動力和振動負荷等，一旦失效，將對發(fā)動機造成嚴重影響。航空發(fā)動機在使用中必須嚴格控制轉(zhuǎn)子件的使用壽命。轉(zhuǎn)子件的使用壽命取決于其自身結(jié)構(gòu)、材料性能對使用條件和使用工況的適應(yīng)能力。影響轉(zhuǎn)子件壽命的外部因素通常包括低循環(huán)疲勞、熱疲勞、腐蝕、振動、磨損、蠕變等，在這些因素中，低循環(huán)疲勞是影響和限制渦輪轉(zhuǎn)子件使用壽命的重要因素，外場數(shù)據(jù)表明，低循環(huán)疲勞壽命是最重要的失效模式之一[1]。

1 故障現(xiàn)象

某型發(fā)動機燃氣渦輪二級轉(zhuǎn)子在進行低循環(huán)疲勞試驗時，試驗出現(xiàn)異常停車。開倉檢查，試驗件掉落，前、后擋板破裂，如圖1所示。

2 故障分析

2.1冶金分析

二級盤后擋板破裂為多塊。將3個通氣孔分別標注為1#、2#、3#，其中1#、2#為發(fā)生徑向斷裂的通氣孔，徑向斷口氧化嚴重，呈棕藍色，呈典型的疲勞特征，3#通氣孔可見明顯的徑向及周向開裂，未斷裂。其余斷口表面均較鮮亮，未見疲勞特征。如圖2所示。

對3個通氣孔斷口觀察：3個通氣孔部位的徑向斷裂模式基本一致，均呈典型的疲勞斷裂特征，疲勞均起源于通氣孔內(nèi)壁，為多個線源，由通氣孔內(nèi)壁沿徑向盤外緣及盤心擴展，源區(qū)可見明顯的臺階，擴展區(qū)可見明顯的放射棱線及疲勞弧線。見圖3。

在掃描電鏡下觀察：3個通氣孔疲勞均起始于通氣孔內(nèi)壁距表面一定深度的次表層（1#通氣孔距表面約50～130μm（深棕色扇形區(qū)內(nèi)）;2#通氣孔距表面約15μm;3#通氣孔距表面約25μm），次表層斷面均呈脆性解理形貌，未見疲勞特征，擴展區(qū)可見明顯的疲勞條帶，見圖4。

二級盤后擋板PPB相按Lngesten評級方法為1級，顯微組織均基本正常，晶粒度10級，滿足大于8級的要求，見圖5、圖6。

1#通氣孔：垂直于深棕色扇形區(qū)疲勞起始部位制樣進行觀察，孔半個圓周內(nèi)壁重熔層深度不均勻，約1/3區(qū)域未見重熔層;疲勞起始部位孔內(nèi)壁表面存在較深重熔層，約50μm，該深度與斷口觀察疲勞起始的次表層深度基本吻合;重熔層內(nèi)可見多條裂紋，部分裂紋已深入到基體，可見多條起始于重熔層裂紋的疲勞裂紋，見圖7。

后擋板3#通氣孔：平行于端面制樣觀察，表面存在重熔層，重熔層厚度最深約30μm，重熔層可見多條裂紋，部分裂紋已深入到基體，可見起始于重熔層裂紋的疲勞裂紋，見圖8。

2.2成分及硬度分析

經(jīng)能譜分析后擋板化學(xué)成分基本符合相應(yīng)技術(shù)條件要求，硬度滿足設(shè)計要求。

由上述分析可見，二級盤后擋板為疲勞破裂，疲勞起始通氣孔內(nèi)壁，疲勞裂紋起始與通氣孔內(nèi)壁存在較嚴重的重熔層及重熔層裂紋有關(guān)，為首斷件。

3 故障復(fù)查

3.1設(shè)計復(fù)查

針對二級盤后擋板，復(fù)查了零件加工超差項，不會對故障造成明顯影響;復(fù)查了試驗前對二級盤及前后擋板的主要尺寸精密計量結(jié)果及通氣孔部位尺寸，尺寸均符合設(shè)計要求。

3.2材料復(fù)查

對該二級盤及前、后擋板均進行材料復(fù)查，結(jié)果顯示：（1）超聲波及熒光檢查合格;（2）密度、熱誘導(dǎo)孔洞密度降低值均符合要求;（3）低倍：無肉眼可見裂紋，粗晶及其它冶金缺陷;（4）高倍：晶粒度滿足≥8級要求，合格;（5）組織均勻，無明顯且連續(xù)的原始顆粒邊界，無初熔痕跡，無外來顆粒，滿足要求;（6）化學(xué)成分均滿足要求，解剖件拉伸性能及持久性能合格。

3.3強度復(fù)查

燃氣渦輪二級盤后擋板主要承受離心載荷、溫度載荷以及與渦輪盤配合處的接觸力載荷。對二級盤后擋板進行應(yīng)力及壽命計算，計算結(jié)果見表1～表2所示。

二級盤后擋板應(yīng)力計算結(jié)果如圖9～圖10所示。

理論分析表明，正常條件下，本次試驗最先破壞應(yīng)在螺栓孔處，而實際破壞首先發(fā)生在通氣孔處，應(yīng)與通氣孔處實際加工質(zhì)量有關(guān)。

3.4加工工藝復(fù)查

針對二級盤后擋板通氣孔采用的電火花加工工藝進行了復(fù)查。

通氣孔采用電火花加工，使用橢圓形成型電極，電火花加工后要求手工拋修橢圓通氣小孔，受零件尺寸限制，實際操作僅在孔口處進行了拋修，拋光量未能達到去除重熔層的目的。

4 故障結(jié)論

根據(jù)前述冶金分析、設(shè)計與工藝復(fù)查、計算分析等工作，判斷該后擋板低循環(huán)疲勞試驗提前失效原因如下：

（1）二級盤后擋板通氣孔部位產(chǎn)生了疲勞裂紋，隨著試驗的進行，裂紋擴展導(dǎo)致二級盤后擋板破裂;

（2）后擋板疲勞裂紋起始通氣孔內(nèi)壁，與通氣孔內(nèi)壁存在較厚的重熔層及重熔層裂紋有關(guān);

（3）二級盤后擋板通氣孔在電火花加工過程中，沒有按照要求執(zhí)行，工藝控制不當(dāng)。

5 改進措施

為解決電火花加工重熔層偏厚和加工后去除重熔層的問題，加工出符合設(shè)計要求的產(chǎn)品，特制訂如下工藝改進計劃：

（1）對比原工藝規(guī)程，確定磨粒流夾具方案、電極尺寸規(guī)格及氣膜孔檢驗方法;設(shè)計、制造磨粒流夾具和電極，修理原電火花夾具用于氣膜孔電火花加工及檢測;嘗試6組加工參數(shù)進行電火花試加工，加工前檢測并記錄電極尺寸，加工后檢測并記錄孔尺寸;理化解剖分析不同加工參數(shù)下孔的重熔層厚度（≤0.05），確定合理的電火花加工參數(shù)。

（2）按確定好的參數(shù)加工兩組氣膜孔（共6個孔），檢測并記錄加工后兩組氣膜孔的尺寸;使用新夾具，搜索合理的磨粒流加工工藝參數(shù);加工后復(fù)測并記錄孔尺寸，對比得出磨粒流可去除余量;送理化剖切分析重熔層是否完全去除。

細化氣膜孔加工工藝，固化電火花、磨粒流加工參數(shù)。

6試驗驗證

目前工藝改進后的二級盤低循環(huán)疲勞試驗已順利完成8000次，通氣孔無裂紋產(chǎn)生，改進措施得當(dāng)，能很好的控制燃氣渦輪二級盤后擋板通氣孔裂紋情況出現(xiàn)。

參考文獻

[1] 宋兆泓.航空發(fā)動機典型故障分析[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.