航空發動機壓氣機葉片損傷分析與監控對策

張海兵，張泰峰，郭 奇

(1.海軍航空大學青島校區 航空機械工程與指揮系，青島 266041；2.北京航空工程技術研究中心，北京 100076)

壓氣機是航空發動機動力裝置的主要組成部分和關鍵部件，是大氣流經燃氣動力裝置的首要通道，其性能對航空發動機的性能將產生直接影響。壓氣機葉片在服役過程中受載荷、環境等因素的影響，容易產生疲勞裂紋、腐蝕等故障，進而引發葉片失效，嚴重威脅飛行安全[1]。另外，發動機在地面工作時也容易吸入砂石、細小顆粒等外來物，這些外來物會打傷壓氣機葉片而產生疲勞源，進而產生疲勞裂紋等缺陷。

1 壓氣機葉片損傷原因與損傷特征分析

1.1 鳥類等軟物體造成的損傷

在飛行中，由鳥撞擊發動機引起的壓氣機葉片損傷的情況非常多見，危害也較大。鳥撞等軟物體造成的損傷以宏觀特征為主，鈦合金葉片會發生彎曲變形，同時由于鈦合金薄葉片的耐沖擊能力差，會因沖擊而過載折斷；而鋼制葉片以彎曲變形為主，并有部分葉身卷曲撕裂，但不會發生大段的過載折斷。鳥撞等軟物體打傷多見于低壓壓氣機，其損傷程度與鳥類體積有較大關系，一般而言，鳥類體積越大造成的損傷程度也越大。典型鳥撞葉片變形區表面外觀如圖1所示。

圖1 典型鳥撞葉片變形區表面外觀

1.2 金屬、砂石等硬物造成的損傷

此類損傷是由航空發動機在近地狀態運行時，吸入金屬、砂石等硬物造成的，屬于沖擊損傷，危害非常大，可發生于高低壓各級葉片。其具有4個基本特征：① 損傷處有應力集中;② 損傷附近有殘余應力場;③ 損傷處有微小裂紋;④ 損傷處有微觀結構損傷。在高周疲勞載荷的作用下，極易誘使疲勞裂紋萌生并快速擴展，引起葉片的疲勞斷裂失效，從而嚴重威脅飛行安全。

這類硬物損傷缺口一般比較尖銳，且容易產生掉塊從而造成多級葉片的損傷，典型掉塊外觀如圖2，3所示。缺口和凹坑是這類損傷的主要類型。

圖2 葉片進氣邊打傷掉塊處外觀

圖3 葉片掉塊斷口外觀

1.3 細小沙粒打傷而形成的疲勞裂紋

此類損傷是由飛機長期吸入跑道上的細小沙粒造成的，起初并無明顯特征，當累積到一定程度后可能會集中表現出來。損傷類型以裂紋和毛刺為主，多見于低壓壓氣機葉片。葉片經沙粒打傷后會形成類似于金屬物打傷的特征，出現明顯的撞擊凹坑以及局部開裂現象，需要通過微觀形貌觀察，排除金屬切削痕跡或金屬熔融特征，并結合殘留物分析才能進一步確認。

比較典型的是某型發動機低壓一級葉片進氣邊裂紋，經外觀檢查，裂紋位于進氣邊距葉尖約18 mm處，裂紋從進氣邊開始逐漸向葉尖方向發展，長約8 mm(見圖4)。整個葉片沒有明顯變形損傷，但在進氣邊和葉盆面上有多處細小的凹坑。在掃描電鏡下觀察，裂紋相對平直，開口很小。進氣邊處有一個寬約0.3 mm，深約0.25 mm的凹坑，裂紋恰好位于凹坑底部(見圖5)。同時，在葉盆面上有多處凹坑，裂紋從部分凹坑上穿過。凹坑具有明顯的碾壓和金屬擠出特征，表明這些凹坑均為打傷痕跡。

圖4 進氣邊裂紋及葉盆面打傷凹坑外觀

圖5 位于進氣邊凹坑底部裂紋外觀

對于覆有涂層的葉片，沙粒打傷后主要損傷的是表面涂層，微觀形貌為涂層開裂或斑塊狀脫落。涂層脫落打傷的缺口一般會呈現灰白色，而金屬零件打傷的缺口一般有較明亮的金屬光澤。

2 壓氣機葉片損傷監控對策

2.1 內窺檢查與損傷影像分析

目前，對于發動機壓氣機葉片的損傷監控，大多采用內窺檢測方法，內窺檢測中以檢測人員觀察分析為主。也有一些內窺鏡具備缺陷的自動識別功能，根據發動機葉片的損傷形態，將缺陷分為線條形(如裂紋)和面積形(如缺口、撕裂等)，針對不同的損傷形態，采取不同的自動測量方法。對于內窺鏡檢測來說，面積形缺陷比較容易檢出，如缺口(見圖6)和掉塊(見圖7)，而裂紋因比較細小而不易檢出。受內窺鏡的分辨率、缺陷位置、光照情況、葉片表面劃痕與附著物等因素的影響，容易發生漏檢，所以需要檢測人員特別仔細地檢查，尤其是要注意裂紋與表面劃痕的區別。裂紋的擴展方向一般不是很規則，有較尖銳的尾部特征，且在葉片邊上容易出現較明顯的裂紋痕跡；而劃痕多呈直線或帶一定弧度的平滑曲線，在葉片邊上一般不會留下痕跡。

圖6 葉片缺口外觀

圖7 葉片掉塊外觀

另一個值得注意的問題是，需要加強對處于規程允許損傷范圍內未處理的舊傷的監控與處理。由于局部應力集中，此類輕微損傷也同樣存在萌生裂紋的可能性，且這類后續擴展裂紋極其隱蔽，不易被發現。

內窺鏡檢測的優點是快速、簡單方便、直觀、經濟，但其缺點為僅能檢測葉片表面缺陷，且容易受檢測人員經驗和葉片表面狀況的影響[2]。例如，某型發動機葉片表面有耐高溫涂層，經長期使用后，在葉邊容易出現鋸齒狀的微小缺口形態，經驗不足的檢測人員可能會誤認為是微小損傷。葉片涂層脫落外觀如圖8所示。

圖8 葉片涂層脫落外觀

2.2 渦流檢測與損傷定量評估

渦流檢測技術是以電磁感應原理為基礎的一種無損檢測方法，適用于導體材料的檢測，其對疲勞裂紋和亞表面腐蝕缺陷非常敏感，靈敏度高，可達性好。對于渦流檢測，包含葉片質量信息的是渦流傳感器中測量線圈接收的電壓(電流)信號。而測量線圈接收到的輸出信號中，能夠表征葉片裂紋缺陷等不連續的是電壓(電流)信號的變化量，或者說是渦流傳感器分別置于葉片完好處與含有裂紋等不連續性缺陷處所接收到的電壓(電流)信號差[3]。

對于發動機葉片損傷，疲勞裂紋是最危險的，裂紋擴展會引起葉片斷裂，從而在發動機高速運轉時打傷發動機，造成更大的損失[4]。為了精確測量裂紋的尺寸，筆者運用當量曲線法在損傷定量方面進行了探討。

選取4個葉片，在葉尖部位加工長度為5 mm，深度分別為0.2，0.4，0.6，0.8 mm的裂紋，為了研究不同頻率下裂紋信號的大小，參數設置中頻率設置了8個值，其余參數保持不變。當渦流傳感器在葉片試件上分別沿著垂直于裂紋長度方向掃描不同深度的裂紋缺陷時，可以得出裂紋信號幅值與裂紋的深度基本成正比的結論。圖9為1.3 MHz頻率下不同深度裂紋缺陷的檢測信號。表1為不同檢測頻率下不同深度裂紋缺陷的檢測信號幅值。

表1 不同檢測頻率下不同深度裂紋缺陷的檢測信號幅值 %

圖9 1.3 MHz頻率下不同深度裂紋缺陷的檢測信號

根據統計的檢測頻率與幅值，繪制信號幅值隨裂紋深度變化曲線(見圖10)和信號幅值隨檢測頻率變化曲線(見圖11)。

從圖10,11可以看出，在檢測參數不變的情況下，裂紋深度越大，檢測信號幅值越大。所以可以根據檢測信號的幅值大小定量地判斷裂紋的深度。從圖11可以看出，在頻率為1.3 MHz2.0 MHz時，裂紋信號幅值變化幅度較小，但也能從中分析頻率與幅值之間的規律。當檢測0.2 mm深度的裂紋時，由頻率變化引起信號幅值變化的幅度較小，證明在頻率為1.3 MHz2.0 MHz時信號均可以滲透0.2 mm的深度。當檢測0.8 mm深度裂紋時，頻率變化引起信號幅值變化的幅度較明顯，從1.6 MHz開始，隨著頻率的增大，由于趨膚效應，渦流滲透能力下降，裂紋信號幅值減小。

圖10 信號幅值隨裂紋深度變化曲線

圖11 信號幅值隨檢測頻率變化曲線

趨膚效應以滲透深度δ來描述，即電流密度減小到表面電流密度的37%時的深度[5]。

(1)

式中:μr為相對磁導率；s為電導率；δ為滲透深度；f為頻率。

式(1)表明,滲透深度δ與頻率f的平方根成反比，f越大，則δ越小。試驗結果與理論分析完全吻合，因此在渦流檢測中，如果需要檢測的裂紋深度較大，可選擇較低的頻率。疲勞裂紋往往存在于葉片表面，較高的檢測頻率對于表面微小缺陷有更高的檢測靈敏度。根據上述試驗結果，可以看出檢測頻率在2.0 MHz時，缺陷信號的指示線性較好，更加適合葉片損傷的定量。因此，葉片的檢測頻率確定為2.0 MHz。在實際檢測中，只要確定好檢測頻率，測量出信號幅值，再根據圖10和圖11，就可以實現對葉片損傷的深度判定。在葉片的實際損傷中，受到葉片材料、損傷形狀等影響，產生的裂紋深度在不同的區域會有變化，在裂紋的起始部位開裂會深一些，裂紋端部開裂會稍淺。可采用上述方法定量傳感器檢測點的裂紋深度，找出裂紋開裂最深的部位。

3 結語

根據發動機壓氣機葉片服役過程中出現的裂紋、掉塊等損傷現象，運用基于斷口分析技術和能譜分析技術的失效分析手段，查明了導致發動機壓氣機葉片損傷的機理和根本原因，提出了集內窺鏡檢測和渦流檢測于一體的監控對策。通過實際檢測結果和缺陷對比試塊檢測試驗，分析了葉片損傷圖像和損傷檢測信號的典型特征，找出了缺陷的渦流信號顯示與其實際大小的對應關系，為準確可靠地定量判斷提供了基準。通過綜合運用內窺鏡檢測和渦流檢測監控壓氣機葉片損傷，既能直觀地觀察到損傷的形貌特征，又可對危險的裂紋故障進行精確定量，對于保障飛行安全具有重要意義。