某型發動機低壓壓氣機轉子葉片斷裂分析

王文杰, 蔡文波

(海軍裝備部, 遼寧 大連 116083)

壓氣機轉子葉片是燃氣渦輪發動機重要零部件之一,數量多、形狀復雜、性能要求高、制造難度大,其工作可靠性直接影響發動機的整機安全和可靠性[1-3]。統計數據顯示,葉片斷裂故障是導致發動機出現重大故障的最主要原因。某型航空發動機自裝備以來,葉片故障占發動機事故征候以上等級故障的半數以上[4-5]。某型航空發動機是雙轉子渦輪風扇內外涵道混合加力式發動機。在一次起飛過程中,該型發動機因葉片發生斷裂故障中斷起飛。檢查發現左發動機低壓壓氣機第2級轉子葉片中的1片從根部折斷,其余葉片均有不同程度損傷。進一步對故障葉片進行宏觀及金相微觀檢查,發現在葉片斷口起始部位有1個凹坑。查該發動機履歷,該級葉片在發動機整機大修時進行過例行性修理,修理流程為:初檢—化洗—熒光—標記壽命—故檢(故障檢查)—恢復疲勞強度(即噴丸)—表面防護。

疲勞失效是轉子葉片中最常見的失效模式,引起葉片疲勞失效的原因多種多樣,包括葉片強度降低、共振、外物打傷、材質缺陷、微動損傷、葉尖碰摩等[6]。劉國庫等[7]針對某型燃氣輪機壓氣機轉子葉片斷裂故障,利用故障樹的排查方法,從材料、設計、工藝、冶金、實物制造、使用等方面進行了詳細的排查,發現轉子、靜子不同心導致偏摩是故障發生的主要原因,而故障葉片根部的加工刀痕且噴丸覆蓋不完全,促進了裂紋的萌生。卜嘉利等[8]在某型發動機風扇轉子葉片第 1 階彎曲振型下進行振動疲勞試驗,發現葉片榫頭和葉身處有裂紋萌生。高志坤等[9]發現在發動機工作過程中葉尖與機匣異常碰摩,使葉片承受非正常沖擊載荷是導致故障葉片產生疲勞裂紋的主要原因,榫齒的微動磨損對裂紋萌生起促進作用。潘輝等[10]介紹了葉片外物損傷試驗模擬方法(含機械加工缺口法、低速沖擊法、準靜態擠壓法和高速彈道沖擊法等)的基本原理、優缺點及應用情況。Dunham等[11]首次運用機械加工缺口法在鋼、鈦、鋁 3 種材料的真實葉片上模擬了葉片外物損傷,研究了在1彎振型下損傷葉片的疲勞強度。

本文通過對該型發動機低壓壓氣機第2級轉子葉片故障斷口外觀檢查、宏觀形貌觀察、表面檢查、成分分析、金相組織檢查、強度計算等方式進行分析,確定了故障葉片的失效模式及原因,提出了改進建議。

1 檢查與分析結果

1.1 外觀檢查

該型發動機低壓壓氣機共5級轉子葉片,第2、3、4級轉子葉片均為銷釘孔式連接結構的鋁葉片組件,孔內壓裝有銅套,以提高銷孔的耐磨性。葉片材料均為LD7-1,表面涂有ES205耐熱涂料。銅套材料均為QAL10-4-4。銷釘材料均為3Cr13。葉片通過銷釘與壓氣機盤(材料為TC11)連接[12]。

將發動機分解至盤和葉片組件狀態,目視檢查低壓壓氣機各級靜子、轉子葉片均有不同程度損傷。低壓壓氣機第2級轉子葉片中的1片從葉身根部斷裂,斷裂葉身未發現,斷口目視觀察有明顯疲勞特征,分析認為是首斷件[13]。故障件損傷情況見圖1、圖2。

圖2 第2級轉子葉片斷件

1.2 斷口宏觀觀察

1.2.1 宏觀觀察

低壓壓氣機第2級轉子葉片斷裂位于葉根附近轉接圓弧處,斷口高差較大,可分為A、B兩個區:A區為疲勞裂紋擴展區,靠近進氣邊一側,尺寸約37 mm×8 mm,占整個斷面的40%,斷面較平坦,可見明顯擴展棱線和疲勞弧線,棱線收斂方向顯示源區位于距進氣邊約15 mm處葉背表面,單源起始;B區斷面粗糙,為瞬斷區。斷口宏觀形貌見圖3、圖4。

圖3 葉片斷口宏觀形貌

圖4 葉片斷口側面宏觀形貌

1.2.2 體視鏡觀察

起源區斷面有白色物質,該物質與葉片表面漆層相連,顏色相近;起源區側面漆層完整無裂紋,僅輕微凹陷,深度約為0.05 mm,見圖5。經除漆處理后放大觀察,起源處白色物質已去除,呈半圓形凹坑特征,凹坑內表面形貌與葉片表面形貌相似,最大寬度×最大深度約為0.50 mm×0.17 mm,見圖6。

圖5 斷口起源區低倍形貌

圖6 斷口面觀察凹陷形貌

1.3 斷口微觀觀察

掃描電鏡斷裂葉片斷口源區凹坑進行表面形貌觀察,源區凹坑內表面無斷裂特征,與葉身表面形貌相同,均為粗糙的噴丸表面,見圖7、圖8。

圖7 凹坑表面高倍形貌

1.4 表面檢查

除漆前對白色物質進行能譜分析,其中Ti和Si為表面漆層成分元素,說明損傷凹坑內白色物質為漆層;Cr、S元素應來源于表面防護工序中的氧化過程。

除漆后采用掃描電鏡對葉片疲勞源區附近進行觀察,疲勞裂紋起源于損傷凹坑邊緣,擴展區可見疲勞條帶及弧線特征,瞬斷區為韌窩特征,表明故障葉片斷口應為疲勞斷口[14-15],見圖9。

1.5 成分分析

利用能譜分析儀對除漆后的凹坑區域進行面掃描,Ti和Si為局部殘留的漆層成分元素,Cr元素來源于表面防護工序的氧化過程,其他元素及含量符合葉片基體LD7-1的標準。

1.6 硬度測試

對故障葉片斷口起源區、葉根、榫頭及同級葉片葉身進行硬度測試,結果均符合葉片基體LD7-1的標準。

1.7 金相檢查

在故障葉片葉根、榫頭及同級別葉片葉身斷口起源區取樣進行組織檢查,結果均符合葉片基體LD7-1的標準。

1.8 強度計算

葉片損傷是發動機常見的故障之一,嚴重的損傷引起葉片疲勞斷裂,從而導致發動機失效。為分析損傷對低壓壓氣機第2級轉子葉片強度的影響,本文采用機械加工缺口法[11,16]進行故障葉片凹坑損傷試驗模擬,進行正常葉片和故障模擬葉片對比計算。

1.8.1 葉片靜應力計算

在工作轉速8 760 r/min下,對比正常葉片和故障模擬葉片應力情況。正常葉片葉身最大靜應力位于葉背根部倒圓位置,應力為178.24 MPa;葉片損傷后因應力集中,故障部位成為葉身應力最大區,應力值為254.56 MPa,相比正常葉片,葉身最大靜應力增加了42.8%。

1.8.2 葉片振動應力計算

相對葉片的尺寸,模擬損傷球形尺寸較小,葉片模態為1階計算時,正常葉片和故障模擬葉片1階固有頻率分別為223.7 Hz和224.7 Hz,固有頻率基本相同。正常葉片最大振動應力在葉背葉根中部,應力值為8 040 MPa;故障模擬葉片最大應力位置為故障部位,應力值為12 737 MPa,相對正常葉片振動應力增加了58%。

2 失效原因分析

2.1 失效模式

通過對低壓壓氣機第2級轉子葉片斷口的宏觀和微觀檢查表明,故障葉片斷裂性質為疲勞斷裂,疲勞裂紋起源于葉背表面損傷凹坑邊緣,擴展區可見疲勞條帶及弧線特征,瞬斷區為韌窩特征。葉身表面損傷凹坑處漆層完整,無破裂現象,可排除外場打傷。斷口微觀檢查凹坑內表面無斷裂特征,與葉身表面形貌相同,均為粗糙的噴丸表面,可判斷凹坑產生于葉片修理過程中,且在恢復疲勞強度(即噴丸)工序之前。

2.2 影響因素分析

疲勞失效原因主要包括葉片強度降低、共振、外物打傷、材質缺陷、微動損傷、葉尖碰摩等[6]。故障葉片損傷凹坑處漆層完整,可排除外物打傷因素;葉身表面硬度、金相組織和材料成分均滿足標準要求,斷口未見冶金缺陷,表明斷裂原因與冶金缺陷和基體材質無關;微動損傷通常發生在轉子葉片榫頭部位,故障葉片斷裂發生在葉根,可排除此因素;檢查同級轉子葉片葉尖,葉尖表面完整,可排除葉尖碰摩因素。引起故障葉片疲勞失效的原因只剩強度降低和共振2個因素。

2.2.1 葉片強度因素分析

強度計算結果表明,在工作轉速8 760 r/min下,故障模擬葉片相比正常葉片葉身最大靜應力增加了42.8%;振動計算結果表明,葉片模態為1階時,正常葉片最大振動應力在葉背葉根中部,故障模擬葉片最大應力位置為故障部位,相對正常葉片振動應力增加了58%。葉片損傷后故障部位靜應力和振動應力均有大幅度增加,疲勞強度明顯下降。

經統計,低壓壓氣機第2、3、4級轉子葉片(材料均為鋁合金)報廢原因主要有4類:刻痕打傷、腐蝕麻點、渦流檢查不合格、锪孔后端面腐蝕。報廢類型比率中刻痕打傷和腐蝕麻點占比較高,見圖10。

圖10 低壓壓氣機第2、3、4級轉子葉片報廢類型比率圖示

綜合分析,葉片凹坑損傷后故障部位疲勞強度明顯下降,斷口疲勞裂紋起源于損傷凹坑邊緣,結合該類型葉片以往故障形式,可判斷凹坑損傷是導致葉片斷裂的主要因素。

2.2.2 葉片共振因素分析

低壓壓氣機第2、3、4級轉子葉片均為銷釘孔式連接結構,葉片頻率要求見表1。低壓壓氣機轉子常用轉速為全工況轉速的52%～64.8%(4 740～5 906.5 r/min)時,對應的頻率為79 ～98 Hz,小于葉片1彎頻率,可排除共振引起葉片斷裂可能[17]。

表1 低壓壓氣機第2、3、4級轉子葉片頻率

2.2.3 凹坑產生原因分析

根據失效分析結論,結合葉片大修過程梳理情況,在葉片除漆后恢復疲勞強度前,安排故檢工序對葉片進行目視檢查,以排除葉身磕碰劃傷等缺陷。按照故檢標準中葉根部位不允許有損傷存在的要求,凹坑在此時應能發現,故重點排查該次故檢后葉片周轉以及噴丸兩個環節,分析損傷產生的原因。

首先檢查周轉運輸環節,因第2級轉子葉片尺寸和重量較大,周轉運輸過程使用木質包裝箱,檢查發現木質包裝箱上的鐵釘和鐵質部件凸出箱體或變形翹曲,在裝箱及運輸過程中存在碰傷葉片的風險。接著排查噴丸工序,查看噴丸過程中使用的工位器具及設備內部結構,未發現可能造成葉片損傷的風險因素。綜合分析,故障葉片葉根部位凹坑大概率產生于故檢與噴丸工序之間的周轉運輸環節,在裝箱及運輸過程中葉片意外與箱體鐵質部件磕碰。而噴丸工序后直接進行表面防護(涂漆)工序,該工序的檢驗環節重點檢查漆層厚度及質量,未能檢查出該磕碰造成的凹坑缺陷。該缺陷在葉片現有修理工藝中具有較強的隱蔽性。

3 結論

本文從斷口的宏微觀形貌觀察、表面檢查、成分分析、材料組織檢查、硬度檢測和強度計算等多方面對故障葉片進行分析,得到以下結論:

(1) 故障葉片失效性質為疲勞斷裂,與材質和冶金缺陷無關;

(2) 葉根處凹坑缺陷促進了裂紋的萌生,是導致本次葉片斷裂的主要原因;

(3) 凹坑產生于葉片故檢后至噴丸工序之間的周轉運輸環節,與防護不當有關。

建議在噴丸前增加葉片表面質量檢查工序,并將轉運工裝改為塑料材質并加強防護,以避免葉片碰傷等缺陷產生。