航空發動機風扇靜子葉片裂紋失效分析

卜嘉利，高志坤，牛建坤，曹 勇

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

隨著中國對航空發動機動力要求的不斷提升，壓氣機部件氣動負荷和性能指標也不斷提高。風扇靜子葉片作為航空發動機壓氣機中的核心部件，在發動機工作過程中起到了降低氣體流動速度、提高氣體壓力和改變氣流方向的作用[1-2]。風扇轉子葉片服役環境十分惡劣，發生失效概率較高[3]。風扇靜子葉片失效模式以疲勞失效為主，引發葉片疲勞失效的原因有外物沖擊損傷、共振、微動磨損、表面加工缺陷及鑄造缺陷等。一旦風扇靜子葉片發生失效，將會嚴重影響發動機的總體性能和穩定性，所以對風扇靜子葉片開展失效機理研究意義重大。為了獲取靜子葉片的疲勞極限，達到確定其初始應力水平的目的，在室溫條件下對該型葉片開展了振動疲勞試驗。試驗在電磁振動臺上進行，用根部固支的方式對葉片上緣板側面與夾具進行固定。試驗結束后，發現葉片并沒有達到試驗目標循環數，在葉片前緣表面有裂紋萌生。該葉片由TC4 鈦合金加工制造而成，該合金具有強度高、質量輕、耐腐蝕性好和抗高溫氧化等優點，在航空發動機零部件上得到廣泛應用[4-6]。葉片主要加工工序流程為模鍛－葉型緣板粗銑加工－熱處理去除應力－葉型緣板精銑加工－砂帶拋光－腐蝕檢查－振動光飾－熒光探傷。

國內外針對風扇葉片開展了諸多研究工作。徐建新等[7]運用流體動力學方法建立發動機風扇流場仿真模型，對硬物撞擊風扇葉片表面損傷規律進行模擬；張海洋等[8]采用流體動力學方法和帶失效應變彈塑性材料模型建立冰雹數值模型，對航空發動機風扇葉片進行冰雹撞擊仿真，能夠準確預估冰雹撞擊過程及葉片損傷程度；Ni 等[9]通過模擬仿真與試驗相結合的方法對多模態激勵下風扇葉片的應力特征進行了細致研究；Hong 等[10]通過數值模擬和試驗分析手段，對高弧度的殼形風扇靜子葉片振動應力進行了分析；高志坤等[11]通過風扇葉片服役環境分析、材質分析及強度計算等手段對葉片失效原因進行分析，表明葉片工作過程中葉尖與機匣處理環發生異常碰摩，使葉片承受非正常沖擊載荷是葉片萌生疲勞裂紋的主要原因；卜嘉利等[12]研究發現如果風扇葉片表面存在機加刀痕會改變葉片表面振動應力分布，在機加刀痕處形成應力集中，葉片表面有刀痕部位振動應力約為無刀痕部位振動應力的2倍。

目前，中國鮮有關于在對風扇葉片進行振動光飾時，由于振動光飾磨粒棱角鋒利導致風扇葉片表面劃傷從而引發葉片失效方面的報道。本文通過熒光探傷、斷口宏微觀分析、源區表面檢查、葉片表面劃痕來歷分析、材質分析及有限元應力模擬分析，確定了裂紋性質及萌生原因，并提出了相應改進措施，防止故障再次發生。

1 試驗與解析

1.1 熒光探傷

為確定振動疲勞試驗后風扇靜子葉片裂紋位置，對該葉片進行熒光探傷，探傷結果如圖1 所示。從圖中可見，葉片前緣上緣板與葉身的轉接部位存在1 條裂紋，且裂紋沿葉片厚度方向裂透。振動疲勞試驗葉片上緣板與夾具裝配如圖2 所示。從圖中可見，用根部固支的方式對葉片上緣板側面與夾具進行固定，葉片裂紋萌生部位如紅色虛線圈所示。

圖1 葉片裂紋熒光顯示圖像

圖2 葉片與夾具裝配

1.2 斷口宏、微觀分析

該裂紋斷口宏觀形貌如圖3 所示。從圖中可見，斷口表面潔凈、平坦，磨損較重，可見疲勞弧線與放射棱線，表明該斷口的性質為疲勞。根據疲勞弧線與放射棱線的收斂方向判斷，疲勞起源于葉片葉盆側前緣靠近上緣板表面，疲勞源區距前緣約2.3 mm，具體位置見紅色虛線圈。

圖3 故障葉片斷口形貌

斷口疲勞源區微觀形貌如圖4 所示。從圖中可見，疲勞起源于葉片葉盆側前緣靠近上緣板基體表面，呈多源線性特征，源區未見缺陷及雜質。擴展區微觀形貌如圖5 所示。從圖中可見細密的疲勞條帶，進一步證明了該斷口為疲勞斷口。

圖4 疲勞斷口源區微觀形貌（500倍）

圖5 斷口疲勞擴展區微觀形貌（1000倍）

1.3 源區側表面檢查

葉片檢查標準規定葉身表面不應有劃痕、壓痕，而斷口疲勞源區附近表面微觀放大形貌如圖6 所示。從圖中可見明顯與斷口平行的磨痕和與斷口呈一定角度的斷續劃痕，不符合標準要求。并且放射棱線匯聚在斷口源區側表面的斷續劃痕處，說明裂紋的萌生與源區附近表面的劃痕有關。

圖6 斷口源區附近表面微觀形貌

1.4 劃痕來歷分析

為了明確葉身表面劃痕的來歷，對車間加工葉片的整個工藝流程進行了現場檢查，發現工藝流程中有砂帶拋光和振動光飾的操作步驟。振動光飾磨粒檢查結果如圖7 所示。從圖中可見，磨粒存在棱邊圓滑與棱邊不圓滑有棱角這2 種形態。振動光飾操作規范明確要求，如重新添加或者補添加振動光飾磨粒時，應空機運行3～6 h，確保磨粒棱邊圓滑，達到不劃傷零件表面狀態的目的，而通過檢查結果可知，此次振動光飾磨粒棱邊存在棱角，不符合標準要求，因此判斷圖6 中斷口源區側表面的斷續劃痕應是振動光飾磨顆與葉片相互摩擦產生的。

圖7 2種振動光飾磨粒宏觀圖像

1.5 成分檢查

葉片材質能譜分析結果見表1，合金元素質量分數均符合要求。

表1 能譜分析結果 wt%

1.6 硬度檢查

在葉片疲勞裂紋附近區域基體取樣后，對該區域3 個位置分別進行布氏硬度檢查，結果見表2，硬度值完全符合設計要求。

表2 布氏硬度檢查結果 HB

1.7 組織分析

對葉片疲勞裂紋附近區域基體進行取樣并制備為金相試樣后，再對其組織形貌進行分析，結果如圖8所示。葉片組織為α+β 雙態組織，未見明顯異常。

圖8 葉片組織圖像

1.8 有限元分析

為明確振動疲勞試驗狀態下葉片相對振動應力分布及第1 階固有頻率，本文利用Ansys 有限元分析軟件對葉片進行振動特性分析。采用Solid186 實體單元類型對葉片有限元模型劃分網格，共劃分14816個單元和73675個節點，如圖9所示。

圖9 葉片有限元模型

在振動疲勞摸底試驗中，采用“上緣板固支，下緣板自由”的邊界約束條件，獲取葉片1 彎振型下的疲勞極限，有限元數值分析中邊界約束條件與振動疲勞試驗狀態一致。而在實際工作狀態中，靜子葉片上緣板與機匣的T 型槽插接固定，下緣板則插接在靜子內環上，如圖10所示。試驗狀態與靜子葉片實際工作狀態的邊界存在差異，但可獲取葉片的1 彎疲勞極限數據，達到試驗目的。有限元分析結果如圖11 所示故障葉片第1 階最大振動應力分布在葉片葉盆側前緣靠近上緣板表面，與葉片疲勞起源位置相一致。

圖10 靜子葉片裝配

圖11 葉片第1階振動應力分布

2 分析與討論

（1）故障葉片裂紋斷口疲勞源區未見明顯的冶金缺陷；材質分析符合標準要求。說明故障葉片裂紋的萌生與材質和冶金缺陷無關。

（2）由斷口宏、微觀分析結果可知，故障葉片斷口潔凈、平坦、光滑，可見疲勞弧線與放射棱線，擴展區可見細密的疲勞條帶，表明該葉片斷口性質為高周疲勞[13-14]。

（3）葉片有限元應力分析結果表明，葉片第1 階彎曲振動最大振動應力部位位于葉片葉盆側前緣靠近上緣板表面處，與疲勞起源位置重合。當葉片第1階最大振動應力部位表面存在劃痕時，會降低葉片表面完整性，加劇應力集中，促進疲勞裂紋的萌生[15-17]。

（4）振動光飾磨粒檢查結果表明，磨粒表面光滑度不符合標準要求，振動光飾機中有新添加的磨粒，新舊磨粒之間相互摩擦時間不夠，導致新添加磨粒各棱邊不夠圓滑，存在棱角。在葉片進行振動光飾時，存在棱角的磨粒劃傷葉片表面，破壞表面完整性，降低抗疲勞性能。

綜上所述，在進行葉片振動光飾時，存在棱角的磨粒與葉片源區附近表面摩擦所產生的劃痕是導致疲勞裂紋萌生的主要原因。

3 結論及建議

（1）某型風扇靜子葉片裂紋的性質為高周疲勞，呈多源線性特征；

（2）故障葉片源區附近表面的劃痕是在振動光飾過程中，有棱角的磨粒與葉片相互摩擦生成的；

（3）葉片源區附近表面劃痕對疲勞裂紋的萌生起促進作用；

（4）裂紋萌生與材質和冶金缺陷無關。

建議嚴格控制振動光飾磨粒表面狀態，避免在振動光飾時磨粒劃傷葉片表面；對振動光飾后的葉片表面進行噴丸處理，以改善葉片表面質量，增大表面殘余壓應力，提高葉片抗疲勞性能。