大型鋁合金風機葉片斷裂原因

左玉婷, 杜風貞, 張麗民, 夏 雯, 劉淑鳳

(1.國合通用測試評價認證股份公司，北京 100088；2.國標(北京)檢驗認證有限公司，北京 100088)

地鐵風機為地鐵站的重要通風設備。某地鐵隧道軸流風機葉片在工作中發生了多起斷裂事故，導致風機函道內非驅動端一側錐形環發生脫焊并被扯斷，機殼多處破損，軸流風機地腳減振墊發生移動，軟連接處破損撕裂；該風機周圍的設備也受到了不同程度的撞擊，事故現場破壞嚴重，如圖1所示。該風機主要負責列車運行前的隧道送風工作，兼顧隧道排煙。該風機服役6 a發生了斷裂，正常情況下地鐵風機可使用10 a以上[1-6]，該風機屬于早期失效。

圖1 風機葉片斷裂事故現場

該風機葉片材料為高強度低壓鑄鋁合金(ZL114A)。為避免此類事故再次發生，作者對風機葉片的碎片進行拼接，觀察并統計了葉片的表面傷痕，同時對碎片進行了宏觀分析、微觀分析、能譜分析、化學成分分析、力學性能測試、組織結構分析，以找到葉片的斷裂原因。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌

通過斷口痕跡和形狀比對將所有風機葉片碎片拼接成較完整的原始葉片，編號為1～14。通過比對每個葉片根部的原始生產批號刻痕，還原葉片在風機中的位置次序，如圖2所示。分別觀察并統計每個葉片碎片的數量、完整度，碎片表面及側面的沖擊、擦傷、劃傷痕跡以及葉片斷口特點、缺陷。結果發現：9號葉片的碎片數量最多，為16片，其次是3，10，4，8號葉片；同時發現4～7號葉片碎片的斷口均存在夾渣缺陷，其中，5號葉片碎片存在多處夾渣，總面積為5.25 cm2。

圖2 風機葉片拼接后還原的位置圖

由圖3可以看出：5，9，10號葉片根部斷口均存在亮白色區域，尺寸分別為6.5 cm×1.4 cm、6.5 cm×1.4 cm、6.7 cm×1.3 cm；5號葉片表面無嚴重沖擊痕跡，表面擦傷不嚴重，斷口存在大塊夾渣；9號葉片碎片拼接較完整，僅在靠近根部區域缺失尺寸約6 cm×12 cm的大碎片，整個葉片表面、頂部及頂部側面擦傷非常嚴重；10號葉片為碎片缺失最嚴重的葉片，缺失總面積為300 cm2。

圖3 碎片拼接后得到的不同葉片的表面及斷口宏觀形貌

1.2 斷口微觀形貌

采用JSM-6510型掃描電鏡(SEM)觀察葉片斷口微觀形貌，發現各個葉片的大部分斷口均較平，呈沖擊脆性斷裂特征，部分葉片斷口存在明顯的夾渣。由圖4可以看出，10號葉片斷口呈脆性解理斷裂形貌，為沖擊斷裂特征。

圖4 10號葉片斷口SEM形貌

由圖5可以看出，5號葉片斷口較亮，呈褶皺形貌，經能譜分析可知，斷口上夾渣的氧元素含量較高，結合褶皺的形貌推斷該夾渣為氧化皮夾渣。

由圖6可以看出：5號葉片根部斷口分為3個區域，圖6a)箭頭匯聚處為靠近表面的疲勞裂紋源區，亮白色的發散區域為疲勞裂紋擴展區，發暗的粗糙區域為瞬斷區；裂紋源區存在長為1.6 mm的夾渣，形貌與圖5中觀察到的氧化皮夾渣的褶皺形貌相似，判斷該葉片的裂紋起源于靠近表面區域的氧化皮夾渣；裂紋擴展區可以清晰地看到互相平行的、與裂紋擴展方向垂直的疲勞條紋，判斷該葉片的斷口為疲勞斷口，疲勞條紋密集，且間距較小，說明該疲勞斷口為低應力高周疲勞斷口。9，10號葉片的根部斷口觀察結果與5號的類似，裂紋均起源于近表面的夾渣缺陷處。

圖5 5號葉片斷口SEM形貌及夾渣的能譜分析結果

圖6 5號葉片根部斷口SEM形貌

1.3 化學成分

為了檢驗鋁合金風機葉片材料的化學成分，分別取5，14號葉片進行分析。

由表1可以看出，除鐵元素外，其他元素的含量均符合GB/T 1173—2013《鑄造鋁合金》對ZL114A鋁合金的要求。14號葉片鐵元素質量分數為0.5%，超出標準(小于0.2%)規定的1.5倍，5號葉片鐵元素質量分數為0.73%，超出標準規定的2.6倍。

表1 5，14號葉片的化學成分(質量分數)

1.4 力學性能

表2為5，14號鋁合金風機葉片的室溫拉伸性能及布氏硬度測試結果。力學性能試樣是從葉片上直接切取的尺寸為φ5 mm的圓棒試樣。由表2可知，兩個葉片的抗拉強度、斷后伸長率均滿足GB/T 9438—2013《鋁合金鑄件》規定的抗拉強度不低于單鑄試樣的75%、斷后伸長率不低于單鑄試樣的50%的要求。而布氏硬度均滿足標準不低于95 HB的要求。因此，失效葉片的室溫拉伸性能及硬度均符合要求。

表2 5，14號葉片的力學性能測試結果

1.5 顯微組織

為了確定鋁合金葉片的微觀組織是否合格，取5號葉片進行了金相檢驗、掃描電鏡(SEM)分析及低倍缺陷檢驗。

圖7和圖8所示分別為5號葉片橫截面試樣的顯微組織及SEM形貌。由圖7可以看出，5號葉片截面顯微組織為典型的鑄造鋁硅合金的枝晶組織，α枝晶與共晶體分布均勻，共晶硅呈點狀或蠕蟲狀，說明該鋁硅合金變質處理正常。由圖8可見，合金組織中含有大量長針狀的AlFeSi相。

圖7 5號葉片橫截面顯微組織

圖8 5號葉片橫截面SEM形貌

根據GB/T 3246.2-2012《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗方法 第2部分：低倍組織檢驗方法》的技術要求，在10號葉片根部斷口附近取樣進行低倍缺陷檢驗，金相顯微鏡和掃描電鏡下的疏松缺陷形貌如圖9所示，可見該葉片疏松嚴重，依照標準評為4級疏松，這種大量疏松及脆性相在材料受力過程中容易引起應力集中，從而降低材料的強度及塑性。

圖9 10號葉片在金相顯微鏡和SEM下的疏松缺陷形貌

1.6 X射線探傷

由斷口及金相檢驗結果可知，斷裂葉片存在夾渣及疏松缺陷，為進一步確定葉片的內部質量，根據GB/T 9438—2013的技術要求采用MU2000-D XL型X射線實時成像檢查系統對風機葉片進行X射線無損探傷。依據標準的分類規定，該風機葉片的內部質量應符合標準中對Ⅱ類鑄件的要求。用X射線照相法分別檢驗了5,9,10號葉片根部軸頭和部件內部的針孔、氣孔、疏松等情況，并進行了評級。結果如表3所示，可見3個葉片不同部位缺陷評級情況相同，葉片中主要缺陷為針孔缺陷，根部軸頭區域長形針孔缺陷達到6級，葉片部件區域圓形或長形針孔缺陷為3級，且兩個區域的針孔缺陷均均勻分布。由于失效葉片受到多處沖擊，因此無法判斷10號葉片的裂紋是材料原始的裂紋還是由于機械碰撞產生的。值得注意的是，在探傷結果中未發現大量的夾渣，而從葉片斷口的宏觀分析中發現了多處大小為2 cm的夾渣，判斷是由于X射線照相法檢測夾渣時只能區分與基體成分密度相差較大的高密度或低密度夾渣，而當夾渣為氧化皮夾渣時，密度與基體差別不大，因此不易檢出，同時夾渣厚薄以及夾渣與檢驗面所成的角度都會影響X射線照相法對夾渣的檢驗結果。

表3 斷裂葉片根部斷口周圍的內部缺陷評級結果

由X射線探傷結果可知，斷裂葉片根部軸頭區域長形針孔缺陷達6級，超出標準規定的2級，因此可以判斷該葉片根部軸頭區域內部質量不符合GB/T 9438—2013的要求。

2 分析與討論

葉片的化學成分分析結果表明，雜質鐵元素超出GB/T 1173—2013規定范圍的2.6倍，將嚴重降低葉片的韌性。根據SEM分析結果可知，斷裂風機葉片中鋁硅合金變質處理正常，但組織中含有大量的針狀及魚骨狀的AlFeSi相，這種雜質相容易增大材料的脆性，降低斷后伸長率。由低倍檢驗結果可知，該斷裂葉片存在4級疏松，這種嚴重的疏松缺陷在材料受力過程中容易引起應力集中，從而降低材料的強度及塑性。由X射線探傷結果可知，失效葉片根部軸頭區域長形針孔缺陷達6級，超出標準規定的2級的要求，因此可以判斷該葉片根部軸頭區域內部質量不符合GB/T 9438—2013的要求。由斷口分析結果可知，5，9，10號葉片根部斷口為低應力高周疲勞斷口，其余斷口均為快速沖擊斷口。而5，10號葉片根部疲勞裂紋源位于靠近表面的氧化皮夾渣處，9號葉片根部疲勞裂紋源位于靠近表面的疏松缺陷處；同時在斷口中發現葉片存在粗大的氧化皮夾渣，5號葉片斷口單個夾渣尺寸為2 cm，夾渣總面積為2.5 cm2。夾渣的存在嚴重降低了葉片的斷裂性能。

由葉片的宏觀分析結果可知，各葉片表面(不包含側面)均未見較深的沖擊凹坑，排除外來異物進入與葉片發生撞擊導致斷裂的可能性。由于首先發生斷裂的葉片在離心力的作用下其碎片可能與其他仍在高速旋轉的葉片發生碰撞，而導致更加嚴重的破碎，因此首斷葉片的破碎程度可能較高。而發生疲勞斷裂的葉片，可能是最先發生斷裂的葉片，除5，9，10號葉片根部斷口為疲勞斷口外，其余斷口均為快速沖擊斷口，因此這3個葉片最先發生斷裂的可能性較大。可以推斷，由于5，9，10號風機葉片根部發生疲勞斷裂，這3個葉片中一個首先發生疲勞斷裂，碎片撞擊錐形環導致錐形環脫焊掉落，并沖擊其余葉片，同時葉片碎片也在風機風筒內撞擊筒壁及其他完好葉片而成為碎片，最終導致整個風機葉片全部斷裂。3個葉片斷口的疲勞區面積相當，說明其發生疲勞的開始時間大致接近。其中，由于9號葉片側面存在與錐形環的沖擊凹坑，說明9號葉片未發生斷裂時錐形環已經斷裂，部分掉落，因此9號葉片不是首斷件，5，10號葉片可能為首斷件。而9號葉片碎片的數量最多、表面劃傷最嚴重，說明9號葉片較早發生斷裂，破碎較嚴重。從葉片的排列順序可知，9號葉片與10號葉片為相鄰的葉片，兩者之一發生斷裂，極易造成周圍的另一個葉片發生斷裂，而成為較早發生斷裂的葉片。因此10號葉片為首斷件的可能性較大。由于10，5，9號葉片均為疲勞斷裂，說明在風機發生失效前一段時間，葉片已經存在巨大的斷裂隱患，即使沒有異物的沖擊，葉片最終也將在疲勞擴展到臨界值時而發生快速斷裂，至于哪一個葉片首先斷裂，已經不是最為重要的問題[7-11]。

3 結論及建議

鋁合金風機葉片的斷裂原因是葉片內部存在大量粗大的氧化皮夾渣以及疏松、針孔缺陷，而葉片根部區域是葉片應力集中區域，此處若存在一定尺寸的缺陷，最容易萌生疲勞裂紋。在離心力和氣動力的作用下，葉片根部將承受拉力、彎曲和扭轉作用力，一旦葉片根部萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋會在這種復合應力的作用下發生擴展，最終導致葉片快速斷裂。

建議按照標準要求對葉片的化學成分、力學性能、顯微組織及鑄造缺陷等進行檢驗，提高葉片冶金質量，提高葉片使用的可靠性。針對已投入使用的風機葉片，通過宏觀分析或采用探傷的方法檢查葉片是否存在疲勞裂紋，排除潛在隱患，減少事故的發生，降低損失。載荷也是影響材料疲勞斷裂的主要因素，應考慮風機整個管網設計是否合理，風機運行時載荷是否過大，再進行設計校核計算，防止過載運行。