航空發動機帶凸肩風扇轉子葉片裂紋產生原因

劉 歡，佟文偉，張 爽，張開闊，李艷明

(1.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015；2.中國航發西安航空發動機有限公司，西安 710021)

0 引 言

風扇轉子葉片是航空發動機中的重要旋轉件，航空發動機工作過程中，風扇轉子葉片在較高的離心負荷、氣動負荷、振動交變負荷以及發動機進氣道外來物沖擊的作用下，會發生共振或顫震，從而影響壓氣機的氣動性能和可靠性。為了減少共振或顫震對轉子葉片強度和振動、氣動性能的影響，在葉片中上部通常設計阻尼凸肩[1]。整級轉子葉片裝配后凸肩形成整環結構，葉片之間通過凸肩彼此制約，增強了轉子葉片的剛性[2-4]。凸肩工作面通常會噴涂或釬焊耐磨合金層，當葉片發生振動時工作面相互摩擦，耐磨合金層能起到阻尼減振作用。

陸基航空發動機風扇轉子葉片試車后的常見失效模式主要有葉尖磨損[5]，凸肩工作面、榫頭工作面磨損[6]，凸肩耐磨層掉渣、開裂[7]，葉尖掉角[8]，外物打傷[9]，共振[10]，組織異常[11]等。某陸基航空發動機風扇轉子葉片采用凸肩結構，材料為TC4鈦合金模鍛件，凸肩工作面釬焊耐磨涂層。在發動機工作過程中，凸肩根部至排氣邊的轉接區域產生裂紋。為了找到裂紋產生原因，作者對故障風扇轉子葉片進行了失效分析并提出了改進措施。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

由圖1可以看出，裂紋位于風扇轉子葉片凸肩根部至排氣邊的轉接區域，貫穿葉身厚度，宏觀上葉片沒有出現變形和變色現象。

圖1 失效葉片表面宏觀形貌Fig.1 Surface macromorphology of failed blade

1.2 斷口形貌

將失效葉片沿裂紋機械掰開，觀察斷口形貌。由圖2可以看出，失效葉片斷口表面較為平坦，呈深灰色，可見明顯的疲勞弧線，表明裂紋為疲勞裂紋。根據疲勞弧線的方向判斷疲勞裂紋萌生于葉片葉盆側凸肩根部和進氣邊的轉接部位表面。

采用ZEISS Sigma 500型掃描電鏡觀察斷口微觀形貌。由圖3可以看出：從葉片凸肩表面起始的近似扇形區域(區域Ⅰ)未見放射棱線特征，組織疏松；從區域Ⅰ的扇形邊界向斷口內部延長約215 μm(外側邊界距凸肩表面約335 μm)的帶狀區域(區域Ⅱ)呈平坦的放射棱線特征，組織疏松；與區域Ⅱ相比，區域Ⅱ外側邊界以外區域(區域Ⅲ)的放射棱線較粗糙，斷口形貌呈準解理特征，同時還可見細密的疲勞條帶，表明失效風扇轉子葉片裂紋為疲勞裂紋。

圖3 失效葉片斷口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture of failed blade: (a) low magnification; (b) amplification of region Ⅰ;(c) amplification of region Ⅱ and (d) amplification of region Ⅲ

采用ZEISS Sigma 500型掃描電鏡附帶的Oxford X-Max50型能譜儀(EDS)對圖3中的3個區域進行成分分析。由圖4可以看出，區域Ⅱ和區域Ⅲ為葉片基體TC4合金成分，區域Ⅰ除基體合金元素外，還存在鉻元素偏聚。

2 裂紋產生原因

由理化檢驗結果可知，失效風扇轉子葉片斷口區域Ⅰ和區域Ⅱ組織疏松。風扇轉子葉片經鍛造成型，葉片內部不會存在疏松組織，因此失效葉片斷口的疏松組織不是在葉片鍛造過程中產生的，而是在鑄造或焊接等熔化和凝固過程中產生的。失效葉片斷口區域Ⅰ存在外來元素鉻，復查葉片生產加工工藝，發現在焊接葉片凸肩耐磨層時使用的阻流劑為Cr2O3，為鉻元素的來源，此外無其他引入鉻元素的工藝。

圖4 失效葉片斷口的EDS面掃描結果Fig.4 EDS surface mapping results of failed blade fracture

圖5 接觸放電試驗葉片燒傷處的表面SEM形貌和截面顯微組織Fig.5 Surface SEM morphology and section microstructure of burned region of blade in the contact discharge test: (a) surface SEM morphology at low magnification; (b) surface SEM morphology at high magnification and (c) section microstructure

阻流劑是在釬焊過程中用來保護被焊金屬非焊接表面的一種輔助材料，能夠在釬焊溫度下有效阻止熔融釬料向非焊接表面隨意流淌，且能在釬焊后去除[12]。在焊接凸肩耐磨層時，將耐磨顆粒與釬料的混合物用黏結劑調和成膏狀涂敷在葉片的凸肩工作面上，再在凸肩及附近非釬焊區域涂敷Cr2O3阻流劑，在真空氬氣保護環境下，采用高頻感應方式焊接。

在凸肩耐磨層的釬焊過程中，復查工藝操作，發現感應線圈與葉片接觸。當感應線圈距離葉片較近或接觸時，感應線圈會產生接觸放電現象，導致葉片基體局部區域溫度快速升高，甚至使葉片基體熔化燒傷，燒傷區域凝固后會形成疏松的鑄造組織。此外，接觸放電導致葉片局部溫度升高至高于阻流劑Cr2O3的熔點時，阻流劑會發生熔化流淌，阻流劑中的鉻元素會進入風扇轉子葉片基體中。

為了進一步驗證感應線圈接觸放電的葉片燒傷現象，設計試驗：在焊接部位周圍涂上Cr2O3阻流劑，感應線圈一端與葉片凸肩接觸，通電后另一端逐漸靠近葉片。當感應線圈距離葉片較近或接觸時，感應線圈和葉片之間產生了放電現象，放電部位發生熔化和燒傷，如圖5(a)、(b)所示。在燒傷部位截取金相試樣，磨拋后采用鹽酸+氫氟酸+水(體積比為2…2…96)的腐蝕液進行腐蝕，在ZEISS Axiovert A1型倒置光學顯微鏡下觀察截面顯微組織，由圖5(c)可以看出，燒傷部位組織為明顯的鑄造組織。采用Oxford X-Max50型能譜儀對該部位進行面掃描，發現該部位存在鉻元素偏聚，與實際失效葉片裂紋源存在鉻元素偏聚的結果一致。

綜上，葉片葉盆側凸肩耐磨層釬焊過程操作不當，使釬焊加熱感應線圈與葉片基體之間發生接觸放電而產生大量的熱，造成凸肩進氣邊轉接部位發生燒傷，形成疏松的鑄造組織，同時接觸放電導致部分阻流劑熔化，熔化的阻流劑擴散進入葉片基體，使葉片基體中出現鉻元素，降低了葉片的疲勞性能。因此在發動機工作過程中，在氣動、振動和離心載荷疊加的交變應力作用下，燒傷部位容易萌生疲勞裂紋，最終導致開裂。

3 結論及措施

(1) 失效風扇轉子葉片裂紋為高周疲勞裂紋，裂紋萌生于葉片葉盆側凸肩根部和排氣邊的轉接部位表面；在凸肩耐磨層釬焊過程中，感應線圈與葉片基體之間發生接觸放電，導致葉片基體局部燒傷和阻流劑熔化，是葉片過早萌生疲勞裂紋的原因。

(2) 建議采用絕緣膠布對感應線圈進行絕緣處理，選取合適的感應電流和焊接距離，以防止線圈和葉片之間發生接觸放電。