壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片掉塊失效機(jī)理分析

王全，王寅超，佟文偉，翟賢超，李青

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

壓氣機(jī)用于為發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作、座艙增壓、渦輪散熱、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)等提供壓縮空氣[1]。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片是壓氣機(jī)的重要零件之一，直接影響壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能、工作可靠性、質(zhì)量及成本等[2-3]。在工作過(guò)程中不僅承受較大的離心負(fù)荷、氣動(dòng)負(fù)荷、大氣溫差負(fù)荷及振動(dòng)的交變負(fù)荷，還要經(jīng)受發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道外來(lái)物的沖擊及風(fēng)沙、潮濕的侵蝕等，故壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的故障率比其他零部件的高很多[4-6]，其常見(jiàn)失效模式主要包括外來(lái)物打傷、共振、強(qiáng)度裕度不足、材質(zhì)缺陷、異常碰摩等。

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家針對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的故障檢測(cè)分析及設(shè)計(jì)加工改進(jìn)等方面開(kāi)展了諸多研究。Kermanpur等[7]分析了TC4鈦合金壓氣機(jī)葉片的斷裂失效機(jī)理，認(rèn)為在葉根位置的疲勞斷裂是因葉根和燕尾槽接觸異常以及葉根耐磨性差造成的；高志坤等[8]對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行了斷裂分析，認(rèn)為葉片產(chǎn)生疲勞斷裂與葉尖和機(jī)匣的碰摩及原始加工刀痕有關(guān)；李小麗等[9]通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)用傳感器，采用概率正態(tài)分布和線性回歸方法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，成功地對(duì)壓氣機(jī)葉片進(jìn)行了裂紋原位檢測(cè)；Suzuki等[10]利用模擬計(jì)算分析沙粒進(jìn)入壓氣機(jī)對(duì)葉片性能的影響，表明葉片前緣的磨損比尾緣的更為嚴(yán)重；Turner等[11]開(kāi)展仿真分析模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉尖碰摩瞬態(tài)的振動(dòng)模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性；陳亞莉等[12]通過(guò)采用新型數(shù)控銑加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了壓氣機(jī)葉片型面和進(jìn)、排氣邊緣的精密銑削加工，提高了壓氣機(jī)的氣動(dòng)效率。

某高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片采用優(yōu)質(zhì)TA11鈦合金鍛造而成，主要加工工序包括模鍛、機(jī)械加工、表面噴丸和振動(dòng)光飾。本文針對(duì)該高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)氣邊產(chǎn)生掉塊的故障以及壓氣機(jī)各級(jí)部分轉(zhuǎn)、靜子葉片存在不同程度打傷的狀況，開(kāi)展了宏觀檢查、斷口分析、材質(zhì)分析和有限元仿真分析。

1 故障葉片檢查與分析

1.1 宏觀檢查

故障高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片宏觀形貌如圖1所示。從圖中可見(jiàn)，靠近加強(qiáng)筋側(cè)的弦向斷口為A斷口，靠近葉尖側(cè)的弦向斷口為B斷口，二者之間的徑向斷口為C斷口。C斷口存在明顯的由葉背側(cè)向葉盆側(cè)的塑性變形，A、B斷口整體未見(jiàn)明顯塑性變形。掉塊位于葉片進(jìn)氣邊側(cè)的加強(qiáng)筋與葉尖端面之間區(qū)域，近似呈方型；掉塊上邊緣距葉尖端面約為11.1 mm，下邊緣距加強(qiáng)筋約為1.6 mm。放大觀察，對(duì)掉塊部位尺寸進(jìn)行測(cè)量，靠近加強(qiáng)筋側(cè)約為9.48 mm，靠近葉尖側(cè)約為6.52 mm，進(jìn)氣邊開(kāi)口約為8.89 mm，掉塊面積約為66.2 mm2。掉塊部位葉盆側(cè)和葉背側(cè)均可見(jiàn)氧化變色現(xiàn)象。如圖2所示。

圖1 故障葉片宏觀形貌

圖2 葉片掉塊部位翻邊和葉盆側(cè)及葉背側(cè)氧化變色形貌

對(duì)掉塊各斷口表面及其附近區(qū)域，以及其余轉(zhuǎn)、靜子葉片被打傷部位進(jìn)行能譜分析，均為葉片基體元素，未發(fā)現(xiàn)其他異常元素；且掉塊A、B斷口均無(wú)明顯塑性變形，可以排除外來(lái)物打傷導(dǎo)致葉片掉塊的可能性。

1.2 斷口分析

A斷口宏觀形貌如圖3所示。從圖中可見(jiàn)，斷口表面嚴(yán)重磨損，可觀察到沿葉片厚度方向的磨損痕跡，局部區(qū)域可見(jiàn)氧化變色現(xiàn)象。

圖3 A斷口宏觀形貌

在掃描電鏡中觀察，A斷口微觀形貌如圖4所示。從圖中可見(jiàn)，大部分區(qū)域已嚴(yán)重磨損，無(wú)法觀察到原始斷裂形貌特征。在靠近葉盆側(cè)磨損較輕區(qū)域可見(jiàn)少量放射棱線形貌，如圖5所示。

圖4 A斷口微觀形貌（50倍）

圖5 A斷口放射棱線形貌（200倍）

B斷口宏觀形貌如圖6所示。從圖中可見(jiàn)，與A斷口的基本一致，大部分區(qū)域已嚴(yán)重磨損，無(wú)法觀察到原始形貌特征，可觀察到明顯的沿葉片厚度方向的磨損痕跡，斷口大部分表面發(fā)生明顯氧化變色?？拷麮斷口交界處葉盆側(cè)存在1處弧形區(qū)域。

圖6 B斷口宏觀形貌

B斷口微觀形貌如圖7所示。從圖中可見(jiàn)，大部分區(qū)域原始斷裂形貌已磨損破壞。放大觀察弧形區(qū)域主要為帶狀花樣形貌特征，表明該區(qū)域是在多次擠壓磨損作用下形成的。

圖7 B斷口微觀形貌

A、B斷口與C斷口交界處宏觀形貌如圖8所示，從圖中可見(jiàn)，葉盆側(cè)和葉背側(cè)表面均存在明顯的氧化變色區(qū)域，且在該區(qū)域內(nèi)存在多條小裂紋。根據(jù)主裂紋判斷的“T”型法則，在通常情況下，橫貫裂紋先形成為主裂紋，阻止隨后裂紋的擴(kuò)展[13]。因此，由小裂紋的擴(kuò)展方向可以判斷A、B斷口均產(chǎn)生于C斷口之前。

圖8 A、B斷口與C斷口交界處宏觀形貌

C斷口宏、微觀形貌如圖9所示。從圖中可見(jiàn)，斷口表面存在宏觀可見(jiàn)的磨損痕跡，在掃描電鏡中放大觀察，在未磨損區(qū)域可見(jiàn)典型的韌窩形貌。結(jié)合3處斷口的斷裂順序，可知C斷口為掉塊的最后瞬時(shí)斷裂區(qū)域。

圖9 C斷口形貌

在微觀觀察過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，葉片葉盆側(cè)在B斷口附近區(qū)域存在多條與A、B斷口擴(kuò)展方向一致的弦向微裂紋，裂紋位于距B斷口表面約為0.6～2.9 mm內(nèi)，較長(zhǎng)的2條微裂紋在葉盆側(cè)擴(kuò)展長(zhǎng)度分別約為3.68、3.32 mm，裂紋并未貫穿至葉背側(cè)表面，形貌如圖10所示。

圖10 微裂紋微觀形貌（50倍）

將其中1條微裂紋打開(kāi)，斷口微觀形貌如圖11所示。從圖中可見(jiàn)，斷口表面較平坦，可見(jiàn)清晰的疲勞弧線和放射棱線形貌特征，表明該微裂紋性質(zhì)為疲勞；根據(jù)放射棱線的匯聚方向判斷，疲勞起源于葉盆側(cè)表面，呈線源特征，裂紋向葉背側(cè)擴(kuò)展，深度約為0.35 mm。疲勞源區(qū)未見(jiàn)明顯的冶金缺陷，疲勞擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)細(xì)密的疲勞條帶形貌，斷口呈高周疲勞特征。

圖11 微裂紋斷口微觀形貌

根據(jù)上述斷口分析結(jié)果，A、B斷口與弦向微裂紋擴(kuò)展方向一致，且在斷口表面局部未磨損區(qū)域存在疲勞形貌特征，由此推斷A、B斷口與弦向微裂紋性質(zhì)相同，均為高周疲勞開(kāi)裂。在擴(kuò)展過(guò)程中，斷口表面在振動(dòng)應(yīng)力和離心載荷往復(fù)作用下產(chǎn)生較重磨損，最終在C斷口處瞬時(shí)斷裂，形成掉塊。

1.3 葉尖端面檢查

故障葉片葉尖端面不同區(qū)域的宏觀形貌如圖12所示。從圖中可見(jiàn)，在靠近進(jìn)氣邊區(qū)域有明顯的磨損痕跡，且存在葉盆側(cè)向葉背側(cè)的磨損塑性變形；在遠(yuǎn)離進(jìn)氣邊區(qū)域磨損較輕。對(duì)葉尖端面磨損較重區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可見(jiàn)，除葉片基體材料（TA11鈦合金）成分外，還含有較多的Al和Si元素。上述檢查結(jié)果表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，故障壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣鋁硅氮化硼封嚴(yán)涂層產(chǎn)生了較重的磨損。

圖12 故障葉片葉尖端面不同區(qū)域的宏觀形貌

表1 葉尖端面磨損較重區(qū)域能譜分析結(jié)果 wt/%

1.4 成分分析

對(duì)故障葉片掉塊附近基體進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可見(jiàn)，主要合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與TA11合金標(biāo)準(zhǔn)成分基本相符。

表2 故障葉片掉塊附近基體能譜分析結(jié)果wt/%

1.5 組織檢查

在故障葉片掉塊附近基體取樣進(jìn)行金相組織檢查，其組織形貌如圖13所示。從圖中可見(jiàn)，其組織主要為等軸α相和拉長(zhǎng)α相組織，未見(jiàn)明顯的異常現(xiàn)象。

圖13 故障葉片掉塊附近基體組織形貌

1.6 力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)故障葉片掉塊附近基體進(jìn)行布氏硬度測(cè)量，結(jié)果（見(jiàn)表3）滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表3 故障葉片掉塊附近基體布氏硬度測(cè)量結(jié)果

在故障葉片榫頭處取樣，進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試，結(jié)果（見(jiàn)表4）滿(mǎn)足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 故障葉片榫頭室溫拉伸性能測(cè)試結(jié)果

2 有限元分析

根據(jù)宏觀檢查和斷口分析結(jié)果，故障葉片葉尖和加強(qiáng)筋之間區(qū)域在進(jìn)氣邊側(cè)產(chǎn)生了多條弦向疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展進(jìn)而造成掉塊，且在葉尖靠近進(jìn)氣邊的端面與機(jī)匣封嚴(yán)涂層之間存在較重的碰摩。

為明確碰摩對(duì)葉片受力的影響，利用Abaqus有限元分析軟件進(jìn)行仿真模擬分析。葉片有限元模型及載荷加載方式如圖14所示。采用C3D10單元類(lèi)型進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，共劃分6420個(gè)單元，3214個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖14 葉片有限元模型及載荷加載方式

根據(jù)故障葉片葉尖端面磨損情況，進(jìn)氣邊一側(cè)碰摩明顯重于排氣邊一側(cè)的，因此推斷碰摩力主要作用在葉尖進(jìn)氣邊側(cè)區(qū)域。在葉尖靠近進(jìn)氣邊區(qū)域施加切向階躍脈沖激振力，作用方向由葉盆指向葉背，與碰摩力方向一致，激振力隨時(shí)間變化曲線如圖15所示。脈沖激振力設(shè)定為100 N，周期為故障葉片旋轉(zhuǎn)1周所用時(shí)間。并分別在進(jìn)氣邊側(cè)靠近加強(qiáng)筋區(qū)域（監(jiān)測(cè)點(diǎn)1）、葉尖靠近進(jìn)氣邊區(qū)域（監(jiān)測(cè)點(diǎn)2）、葉身根部（監(jiān)測(cè)點(diǎn)3）選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在碰摩力作用下葉片監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)域曲線如圖16所示。

圖15 激振力隨時(shí)間變化曲線

圖16 在碰摩力作用下葉片監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)域曲線

根據(jù)上述有限元仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)機(jī)匣封嚴(yán)涂層與葉片之間的碰摩主要作用在靠近進(jìn)氣邊側(cè)的葉尖時(shí)，在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)中葉身前緣加強(qiáng)筋區(qū)域的應(yīng)力響應(yīng)明顯高于其他部位的。

故障壓氣機(jī)葉片的瞬時(shí)應(yīng)力分布如圖17所示。從圖中可見(jiàn)，在碰摩力作用下，由于葉身上部加強(qiáng)筋的影響，葉身前緣葉尖與加強(qiáng)筋之間的區(qū)域產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中部位與故障葉片產(chǎn)生疲勞裂紋及掉塊區(qū)域基本吻合。

圖17 碰摩力作用下故障葉片瞬時(shí)應(yīng)力分布

3 分析與討論

對(duì)故障壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片掉塊區(qū)域，及其轉(zhuǎn)、靜子葉片被打傷部位進(jìn)行能譜分析，均未發(fā)現(xiàn)除葉片基體成分之外的其他異常元素，且A和B掉塊2處斷口均未產(chǎn)生明顯塑性變形，由此排除外來(lái)物打傷造成故障葉片產(chǎn)生掉塊的可能性。

由斷口分析結(jié)果可知，在故障壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉尖與加強(qiáng)筋之間的前緣區(qū)域存在多條與掉塊擴(kuò)展方向相同的微裂紋，裂紋斷口表面可見(jiàn)清晰的疲勞弧線和放射棱線形貌特征，放射棱線匯聚于葉盆側(cè)表面，在擴(kuò)展區(qū)存在細(xì)密的疲勞條帶特征，表明裂紋性質(zhì)為線性起源于葉盆側(cè)表面的高周疲勞裂紋[14-15]。在掉塊斷口表面局部未磨損區(qū)域可觀察到疲勞形貌特征，因此推斷故障掉塊區(qū)域最初在葉片前緣區(qū)域萌生A、B斷口對(duì)應(yīng)的疲勞裂紋及擴(kuò)展，斷口表面在振動(dòng)應(yīng)力和碰摩力等外在因素作用下發(fā)生較重磨損，最終在C斷口處發(fā)生瞬時(shí)徑向斷裂，造成掉塊。

TA11合金為近α型鈦合金，適用在450℃以下長(zhǎng)時(shí)期工作，在國(guó)內(nèi)外有比較成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[16-17]。故障葉片成分符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織未見(jiàn)異常，所用材料的力學(xué)性能也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。且對(duì)微裂紋斷口疲勞源區(qū)背側(cè)散射觀察可知，在疲勞源區(qū)未見(jiàn)明顯的冶金缺陷。以上結(jié)果表明故障葉片萌生疲勞裂紋發(fā)生掉塊與葉片的材質(zhì)和冶金缺陷沒(méi)有直接關(guān)系。

在不考慮實(shí)際加工尺寸和裝配等因素影響的理想狀態(tài)下，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片不會(huì)與機(jī)匣發(fā)生碰摩。但在發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作中，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉尖難免與機(jī)匣發(fā)生相互摩擦，因此需要在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣轉(zhuǎn)子外環(huán)塊表面噴涂帶有鋁硅氮化硼可磨耗的封嚴(yán)涂層（Metco320NS）。該涂層是近年來(lái)國(guó)外廣泛應(yīng)用的具有良好性能的中溫封嚴(yán)涂層材料，用于降低轉(zhuǎn)子葉片的磨損，能有效地減小葉尖與機(jī)匣之間的間隙，從而提高壓氣機(jī)的效率[18-19]。在故障葉片葉尖靠近進(jìn)氣邊區(qū)域存在較重的磨損痕跡，而在遠(yuǎn)離進(jìn)氣邊區(qū)域磨損較輕，且存在葉盆側(cè)向葉背側(cè)的磨損塑性變形，說(shuō)明故障葉片在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與機(jī)匣封嚴(yán)涂層發(fā)生了較重的非均勻碰摩[20]。

結(jié)合有限元仿真分析結(jié)果，當(dāng)葉片葉尖進(jìn)氣邊區(qū)域存在與機(jī)匣封嚴(yán)涂層之間由葉盆側(cè)向葉背側(cè)方向周期性碰摩時(shí)，在葉身進(jìn)氣邊側(cè)的葉尖與加強(qiáng)筋之間區(qū)域產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，與故障葉片萌生疲勞裂紋及掉塊區(qū)域基本一致。此時(shí)葉盆側(cè)受拉應(yīng)力，葉背側(cè)受壓應(yīng)力，而葉片微裂紋疲勞起源于葉盆側(cè)表面，二者相一致，說(shuō)明碰摩帶來(lái)的附加應(yīng)力確實(shí)對(duì)葉片產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂起到了直接作用。當(dāng)對(duì)同臺(tái)份的葉片進(jìn)行裝配狀態(tài)尺寸復(fù)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，故障葉片葉高尺寸偏大，已達(dá)到設(shè)計(jì)上限值，使其距機(jī)匣的間隙偏小，在工作過(guò)程中更容易與機(jī)匣發(fā)生嚴(yán)重碰摩，受到的切向碰摩力更大，因此較先于其他葉片萌生裂紋[21]。

綜上所述，故障壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在工作過(guò)程中，葉尖與機(jī)匣封嚴(yán)涂層發(fā)生較重的非均勻碰摩，使前緣加強(qiáng)筋附近區(qū)域產(chǎn)生明顯應(yīng)力集中，并且在振動(dòng)應(yīng)力和離心載荷等因素的共同作用下，導(dǎo)致葉片萌生多條疲勞裂紋，進(jìn)而產(chǎn)生掉塊。

4 結(jié)論

（1）故障壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片掉塊A、B斷口性質(zhì)均為起源于葉尖與加強(qiáng)筋之間前緣區(qū)域葉盆側(cè)表面的疲勞裂紋，擴(kuò)展至C斷口處時(shí)發(fā)生瞬時(shí)斷裂，最終形成掉塊；

（2）葉尖與機(jī)匣封嚴(yán)涂層發(fā)生較重的非均勻碰摩是導(dǎo)致葉片掉塊的主要原因；

（3）故障葉片過(guò)早萌生疲勞裂紋并產(chǎn)生掉塊與葉片材質(zhì)和冶金缺陷無(wú)關(guān)。

在不影響壓氣機(jī)效率情況下，適當(dāng)?shù)丶哟筠D(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣的徑向間隙，并且嚴(yán)格控制裝配質(zhì)量和機(jī)匣封嚴(yán)涂層尺寸，可有效地降低該類(lèi)故障的發(fā)生率。