某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)前紊流板裂紋故障分析

陳凡 王李軍 路琿/國營錦江機(jī)器廠

1 故障描述

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)外場300h定檢時(shí)，機(jī)務(wù)人員發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室外環(huán)前紊流板根部（第一排摻混孔）存在穿透性裂紋，裂紋沿圓周方向擴(kuò)展角度約190°，超過維護(hù)手冊(cè)規(guī)定。前紊流板上出現(xiàn)裂紋一般是允許的，發(fā)生在小孔之間的周向裂紋如沿圓周方向擴(kuò)展到等于或大于180°時(shí)，需將發(fā)動(dòng)機(jī)返廠檢修。如果有數(shù)條裂紋，則應(yīng)考慮第一條裂紋的起點(diǎn)至最后一條裂紋終點(diǎn)的范圍：當(dāng)0°<α<90°時(shí)，繼續(xù)使用，每100h 作一次孔探儀檢查；當(dāng)90°<α<180°時(shí)，繼續(xù)使用，每50h 作一次孔探儀檢查；α≥180°時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)返廠檢修。前紊流板根部斷裂會(huì)造成前紊流板上的限位襯套與轉(zhuǎn)子軸上安裝的甩油盤端面摩擦，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸卡死，危及飛行安全。

2 斷口失效分析

2.1 宏觀檢查

從圖1 可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室前紊流板裂紋位于轉(zhuǎn)角根部位置，為弧度約190°的周向穿透性裂紋。前紊流板分內(nèi)外側(cè)兩個(gè)面，工作后外表面顏色呈灰藍(lán)色，內(nèi)表面顏色呈棕黃色。

2.2 微觀檢查

檢查裂紋斷口發(fā)現(xiàn)，斷口及孔表被腐蝕物覆蓋，其中孔表腐蝕嚴(yán)重，受熱面孔口邊緣存在多條微裂紋（見圖2）；裂紋起源于受熱面孔的邊緣，沿紊流板圓周方向擴(kuò)展，裂紋源區(qū)可見沿晶脆斷特征（見圖3）；裂紋擴(kuò)展區(qū)可見明顯的疲勞條帶（見圖4）；裂紋瞬斷區(qū)微觀呈現(xiàn)韌窩形貌（見圖5）。

圖1 前紊流板轉(zhuǎn)角根部裂紋

圖2 受熱面孔口微裂紋

圖3 源區(qū)（靠受熱面）沿晶脆斷形貌特征

2.3 能譜分析

在前紊流板斷口裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)域各選擇兩處進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明，除含GH188 基體材料主要元素外，源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)均含有O、S 等腐蝕元素，源區(qū)所含腐蝕性元素S 明顯多于擴(kuò)展區(qū)（見表1）。

2.4 分析結(jié)論

根據(jù)前紊流板工作特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)，該零件在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)主要受拉應(yīng)力作用，第一排摻混孔處受力大且處于應(yīng)力集中部位。結(jié)合前述檢查情況分析，前紊流板第一排摻混孔在工作環(huán)境下發(fā)生熱腐蝕，并在拉應(yīng)力作用下萌生裂紋，隨著工作時(shí)間延長，裂紋沿周向疲勞擴(kuò)展，擴(kuò)展過程中伴隨熱氣流的腐蝕作用。前紊流板裂紋性質(zhì)為腐蝕疲勞。

3 裂紋故障原因分析

3.1 結(jié)構(gòu)組成

前紊流板和混合器組件組成火焰筒外環(huán)組件，為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室零件。前紊流板通過20 顆螺栓固定在混合器組件前端（見圖6），功用是引導(dǎo)流入發(fā)動(dòng)機(jī)離心壓氣機(jī)后的壓縮空氣通過前紊流板上的摻混孔均勻進(jìn)入燃燒室，促進(jìn)燃燒室內(nèi)燃?xì)獾姆€(wěn)定燃燒。

3.2 工作原理

圖4 擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶

圖5 瞬斷區(qū)形貌

表1 紊流板斷口能譜分析結(jié)果（wt%）

圖6 前紊流板安裝圖

圖7 燃燒室氣流路徑及工作溫度分布

圖8 火焰筒外環(huán)組件區(qū)域位置

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室零件是在高溫、高負(fù)荷下工作，承受氣體力、慣性力產(chǎn)生的靜載荷和振動(dòng)載荷，還受熱應(yīng)力和熱腐蝕的作用。燃燒室火焰筒為薄壁鈑金結(jié)構(gòu)件，表面開有大量的摻混孔，受結(jié)構(gòu)的相互約束，摻混孔邊緣處的應(yīng)力極為復(fù)雜，不僅存在應(yīng)力集中，還有內(nèi)外表面溫度梯度變化不同步造成的熱應(yīng)力耦合。

前紊流板為薄壁鈑金結(jié)構(gòu)件，與火焰筒內(nèi)環(huán)組成的半包圍區(qū)為燃燒室主燃區(qū)，焰心溫度可達(dá)2500℃（見圖7）。前紊流板轉(zhuǎn)角處的第一排摻混孔為直排孔，氣流對(duì)該處壁板的冷卻效果較其余部位的斜排摻混孔差，且該部位靠近甩油盤燃料出口處，受到的熱應(yīng)力影響更大，燃燒產(chǎn)生的沉淀物質(zhì)更易附著積累在該處孔口邊緣表面。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，燃燒室總體受向后的氣體力、慣性力的合力作用，前紊流板隨火焰筒外環(huán)組件向后移動(dòng)，前紊流板上的齒狀限位擋邊與噴射油道軸頸齒狀限位凸臺(tái)會(huì)相互接觸，承受向前的拉力，而前紊流板轉(zhuǎn)角處為徑向形狀急劇變化的應(yīng)力集中部位，相對(duì)前紊流板其他部位將承受更大的拉應(yīng)力作用。因此，前紊流板轉(zhuǎn)角處若產(chǎn)生腐蝕和裂紋缺陷，容易在復(fù)雜應(yīng)力作用下開裂和擴(kuò)展。

3.3 修理方法

現(xiàn)行技術(shù)文件中有清洗積炭、清洗后腐蝕檢查、尺寸測量及無損檢測要求。對(duì)照?qǐng)D8 所示的火焰筒外環(huán)組件區(qū)域位置，熒光探傷檢查標(biāo)準(zhǔn)為：前紊流板“1”處，允許存在長度不大于5mm 的裂紋，裂紋長度大于5mm 則更換前紊流板；前紊流板釬焊“2”“3”處，允許存在總長度不大于20mm、間距不小于60mm 的裂紋，超過上述標(biāo)準(zhǔn)報(bào)廢。

復(fù)查該發(fā)動(dòng)機(jī)前紊流板大修質(zhì)量記錄。前紊流板清洗后檢查表面無異常，熒光探傷無裂紋，各尺寸及形位公差符合工藝要求，可排除大修過程中前紊流板轉(zhuǎn)角處存在腐蝕和裂紋的可能。

3.4 原因分析

綜合上述情況分析，發(fā)動(dòng)機(jī)前紊流板轉(zhuǎn)角處裂紋為外場使用期間摻混孔邊緣受到熱腐蝕作用產(chǎn)生的表面缺陷，在應(yīng)力集中作用下進(jìn)一步發(fā)生疲勞擴(kuò)展所致。熱腐蝕是金屬材料在高溫工作環(huán)境中與表面沉積的硫化物、氧氣和其他腐蝕性氣體（來源于燃料、空氣）共同作用下產(chǎn)生的。

4 措施

1）對(duì)該臺(tái)前紊流板裂紋的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢修，修理合格后繼續(xù)使用。

2）采用噴砂工藝去除前紊流板受熱面（特別是摻混孔）殘留的腐蝕物，降低熱腐蝕帶來的影響。

3）在用戶按照維護(hù)手冊(cè)定期開展檢查工作的基礎(chǔ)上，工廠將前紊流板裂紋檢查納入發(fā)動(dòng)機(jī)巡檢巡修范圍，確保發(fā)動(dòng)機(jī)外場使用安全。