航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片掉角分析

范順昌，唐曉輝，張銀東，楊樹林

(1.駐沈陽(yáng)黎明發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司軍事代表室，沈陽(yáng) 110043;2.沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043)

0 引言

葉片類零件失效是航空發(fā)動(dòng)機(jī)較常見的故障，國(guó)內(nèi)外非常重視對(duì)其失效模式和機(jī)理以及預(yù)防措施的研究。疲勞斷裂是轉(zhuǎn)子葉片失效最常見的形式［1－7］，引起疲勞的原因有多種。振動(dòng)故障占發(fā)動(dòng)機(jī)總故障的15%以上，而葉片振動(dòng)故障又占振動(dòng)故障的70%以上［7］。此外，葉片在加工、使用和修理過程中，如果出現(xiàn)腐蝕、打傷、表面溝痕、尖銳棱角等缺陷，會(huì)引起應(yīng)力集中，顯著降低葉片疲勞抗力，往往導(dǎo)致葉片早期疲勞失效［8］。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)部件，工作過程中承受復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)、高速氣流的直接沖刷及塵土、砂石等外來物的損傷，出現(xiàn)故障的概率較高［9－11］。

高壓壓氣機(jī)三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片采用TA11合金鍛造而成，主要加工工序有模鍛、機(jī)械加工、表面噴丸和振動(dòng)光飾。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在工廠試車后，發(fā)現(xiàn)有1片三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉尖前緣掉角，裂紋起源于葉背。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，掉角葉片葉尖在進(jìn)氣側(cè)有明顯的摩擦痕跡和氧化色，對(duì)應(yīng)的機(jī)匣涂層表面有明顯的劃痕;其它葉片損傷輕微。產(chǎn)生葉片掉角的原因很多，摩擦、碰撞、外來物、振動(dòng)、材質(zhì)等因素往往交織在一起，導(dǎo)致故障不再表現(xiàn)為單一的失效模式，使分析工作變得復(fù)雜和困難。深入研究分析該類葉片零件的失效模式和機(jī)制，采取有效的針對(duì)性措施，對(duì)于降低葉片類零件發(fā)生故障的頻率，避免同類事故的反復(fù)發(fā)生，從而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能、可靠性和安全性有十分重要的意義。本研究對(duì)故障件進(jìn)行了組織分析和斷口觀察，確認(rèn)了故障的性質(zhì)，對(duì)可能導(dǎo)致故障產(chǎn)生的因素進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

1.1 外觀及斷口分析

故障件形貌如圖1所示，掉角位置在進(jìn)氣邊葉尖處，呈圓弧形。

圖1 掉角葉片形貌Fig.1 Morphology of the failed blade

葉尖處有不均勻的摩擦痕跡(圖2)，在進(jìn)氣側(cè)摩擦痕跡較重，而葉尖中部和排氣側(cè)未見明顯的摩擦痕跡。摩擦處發(fā)生氧化，接近掉角處氧化色較深，說明該處摩擦較重或摩擦?xí)r間較長(zhǎng)。

圖2 掉角葉片葉尖處的碰磨痕跡Fig.2 Trace of collision and friction at the tip of the failed blade

對(duì)斷口宏觀形貌進(jìn)行觀察，斷口有2條弧線，弧線連續(xù)圓滑，該斷面有2處起源，如圖3中箭頭1、2所指，疲勞起源于葉背處。在靠近葉尖和進(jìn)氣邊處(即斷口兩端)斷口相對(duì)粗糙，其余大部分?jǐn)嗫谳^為圓滑。

用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行進(jìn)一步觀察。圖4a為故障葉片疲勞區(qū)1的二次電子像，可見疲勞弧線與葉背所包圍的部分呈新月形，構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立斷裂單元。該單元沒有匯聚于斷裂源的放射狀紋理，呈現(xiàn)出比較典型的線源特征。將源區(qū)進(jìn)一步放大(圖4b)，可見斷裂源處的斷口因受到研磨而變得光滑。

圖3 掉角斷口宏觀形貌Fig.3 Morphology of the frature

圖4 疲勞源區(qū)1的形貌Fig.4 SEM morphology of the fracture initiation area 1

圖5為斷口研磨處的X射線能譜分析結(jié)果，成分符合TA11合金成分，沒有外來元素，說明斷裂源萌生并導(dǎo)致葉背開裂后，相匹配的開裂面只是發(fā)生了相互研磨，而沒有外來物的參與。

圖5 疲勞源區(qū)的研磨痕跡Fig.5 Trace of collision and friction and EDS of the source region

圖6是葉盆側(cè)斷口的局部高倍像，可見葉盆側(cè)也發(fā)生了研磨現(xiàn)象。表明疲勞區(qū)1所在的斷裂單元形成后，隨著葉片開裂的進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致了從葉背到葉盆的貫穿開裂，開裂后葉背和葉盆附近發(fā)生了斷口的相互研磨，而此時(shí)葉片尚未掉角。

圖6 葉盆側(cè)的研磨痕跡Fig.6 Trace of collision and friction at the basin side of the blade

圖7是源區(qū)2的二次電子像，同樣沒有匯聚于斷裂源的放射狀紋理，也表現(xiàn)出典型的線源特征，可見局部受到研磨。從斷口形貌上看，2個(gè)斷裂單元的特征是相近的，都是導(dǎo)致故障發(fā)生的先期開裂部位，其源區(qū)共同構(gòu)成了掉角斷口的裂紋源。

圖7 疲勞源區(qū)2的形貌Fig.7 SEM morphology of the fracture initiation area 2

此外，在斷口上有較多的接近平行的二次裂紋，并可見清晰而細(xì)密的疲勞條帶(圖8)，這些疲勞特征進(jìn)一步說明葉片掉角為疲勞斷裂。2個(gè)斷裂源區(qū)均未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金和加工缺陷。

圖8 斷口上的疲勞條帶Fig.8 Fatigue striations on the fracture

1.2 材質(zhì)檢查

在故障葉片葉身上取樣，進(jìn)行化學(xué)成分和金相組織分析。對(duì)故障葉片同批次材料的力學(xué)性能進(jìn)行復(fù)查。

分析化學(xué)成分見表1，符合TA11材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

材料金相組織如圖9所示，主要為等軸或拉長(zhǎng)的α組織以及少量的β組織，未見原始β晶界上連續(xù)的α網(wǎng)狀組織，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

故障葉片同批次材料的力學(xué)性能見表2和表3，其室溫拉伸性能、425℃拉伸性能、425℃熱穩(wěn)定性能，以及425℃/410 MPa/100 h蠕變性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，各項(xiàng)指標(biāo)均有一定的裕度。

表1 故障件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Chemical content of the failed blade(mass fraction/%)

表2 故障件同爐批材料的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the same－furnace material

圖9 故障葉片的組織Fig.9 Microstructure of the failed blade

表3 故障件同爐批材料的高溫蠕變性能Table 3 Creep property at 425℃/410 MPa/100 h of the same－furnace material

2 分析與討論

2.1 材質(zhì)因素

TA11合金是近α型鈦合金，可在450℃以下長(zhǎng)時(shí)期工作［12］，主要用于制造壓氣機(jī)的盤、葉片及機(jī)匣類零件等，在國(guó)內(nèi)外有比較成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。葉片組織未見異常，所用材料的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說明強(qiáng)度儲(chǔ)備滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。正常工作狀態(tài)下，掉角部位的應(yīng)力很低，本次故障不應(yīng)是由于靜強(qiáng)度儲(chǔ)備不足造成的。葉片所用材料的組織和性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，疲勞源處未見明顯的冶金缺陷，說明本次故障和材質(zhì)沒有直接關(guān)系。

2.2 摩擦因素

高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉尖與靜子機(jī)匣之間的徑向間隙直接影響到壓氣機(jī)的工作效率，葉尖間隙每增大1%，壓氣機(jī)效率下降約1% ～2%，所以在設(shè)計(jì)上必須嚴(yán)格控制高壓壓氣機(jī)徑向間隙。常規(guī)做法是采用塞尺測(cè)量徑向間隙，在三級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖部位的機(jī)匣外環(huán)塊上噴涂有可磨耗涂層，用于減少轉(zhuǎn)子葉片的磨損。工廠試車后檢查葉片變形和葉尖磨損，如發(fā)現(xiàn)葉尖磨損，采用拋修的方法去除磨痕，以減少在磨痕處的應(yīng)力集中。葉片在高速旋轉(zhuǎn)的過程中與涂層發(fā)生非均勻碰磨，將會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域出現(xiàn)異常高溫區(qū)而氧化變色，這種高溫下的摩擦如果持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，將會(huì)破壞葉片葉尖處的表面完整性。與機(jī)匣碰磨產(chǎn)生的應(yīng)力是從葉盆側(cè)向葉背側(cè)的，該葉片掉角疲勞起源于葉背而非葉盆，說明碰撞帶來的附加應(yīng)力和變形并沒有直接引起葉片疲勞開裂，也就是說葉片與涂層的摩擦只是一個(gè)誘發(fā)因素。掉角斷口呈弧形，應(yīng)與某種振型有關(guān)。

2.3 振動(dòng)因素

葉片的激振頻率與其本身結(jié)構(gòu)和裝配特點(diǎn)密切相關(guān)，其坎貝爾圖見圖10，存在激振頻率，分別對(duì)應(yīng)于高壓壓氣機(jī)機(jī)匣的對(duì)開組裝方式、第三級(jí)轉(zhuǎn)子外環(huán)塊的通氣孔、以及前三級(jí)靜子葉片的裝配數(shù)量。利用激光散斑法對(duì)該葉片進(jìn)行頻率及振型測(cè)量，將測(cè)量帶寬提高到25 kHz時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片頻率比較密集，在25 kHz頻率范圍內(nèi)可分辨振型有16階。根據(jù)葉片相對(duì)振動(dòng)應(yīng)力分布情況，第6、7、9、11、12階振型在葉尖前緣處應(yīng)力最高，而第5、8、10、14、16階振型則在靠近葉尖前緣處的葉背側(cè)應(yīng)力最高，如果出現(xiàn)共振有可能會(huì)引起葉片掉角故障。但從坎貝爾圖上看，第 6、7、8、14、16 階在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)與靜子葉片數(shù)等激振因素?zé)o交點(diǎn)且裕度較高，不會(huì)激起共振。第 5、9、10、11、12 階頻率在工作轉(zhuǎn)速內(nèi)存在共振點(diǎn)，激振因素與葉片裝配數(shù)量及第三級(jí)轉(zhuǎn)子外環(huán)塊上的通氣孔有關(guān)?？赡艿墓舱袷欠駥?dǎo)致失效，也和振型有關(guān)。根據(jù)故障葉片的斷裂位置，結(jié)合試驗(yàn)振型和坎貝爾圖，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可能激起且能引起第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片掉角的振型為5階2扭振型(圖11)。在慢車轉(zhuǎn)速和巡航轉(zhuǎn)速時(shí)，第5階振動(dòng)頻率與30E激振頻率均有較大的設(shè)計(jì)裕度，若激起危險(xiǎn)共振，需要較大的激振能量，一般情況下不會(huì)發(fā)生共振。但在葉片與機(jī)匣之間存在不均勻非正常碰磨的條件下，振動(dòng)必然加劇，進(jìn)而會(huì)引起三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)二扭共振。第5階振型在靠近葉尖前緣處的葉背處應(yīng)力水平最大，致使疲勞裂紋在葉背處產(chǎn)生并擴(kuò)展;摩擦破壞了葉片的表面完整性，使疲勞極限下降，促進(jìn)了疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致葉片掉角。掉角部位(圖1)與二扭振型共振節(jié)線(圖11)重合度較好，進(jìn)一步說明了振動(dòng)是葉片掉角的根本原因。

圖10 三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片坎貝爾圖Fig.10 Campbell diagram of the blade

圖11 可能激起第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片掉角的振型Fig.11 Possible vibration mode leading to angle loss

3 結(jié)論

1)高壓壓氣機(jī)三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片掉角為多源疲勞斷裂，源區(qū)未見明顯的冶金和加工缺陷。

2)葉片葉尖受到不均勻碰磨引發(fā)葉片產(chǎn)生二扭共振是葉片掉角的根本原因。

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