發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片斷裂故障分析

李 釗

(海軍裝備部，西安 710021)

發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片斷裂故障分析

李 釗

(海軍裝備部，西安 710021)

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中壓氣機(jī)葉片斷裂，分解檢查后根據(jù)損傷情況確定了首斷件；通過(guò)對(duì)首斷件斷口宏觀分析，確定斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，起始于進(jìn)氣邊一側(cè)；斷口顯微分析結(jié)果表明：葉片斷裂系起始于腐蝕損傷的疲勞斷裂；漆層分析表明基體腐蝕損傷的原因是斷口區(qū)漆層破損，在高濕和含鹽環(huán)境下，腐蝕介質(zhì)沉積在漆層破損處，葉片在破損處出現(xiàn)晶間腐蝕，萌生裂紋并擴(kuò)展，直至斷裂，漆層破損的原因?yàn)橥鈦?lái)物打傷；針對(duì)故障原因，細(xì)化了發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片外場(chǎng)檢查方法。

壓氣機(jī)葉片；首斷件；斷口；漆層破損；腐蝕

0 引言

壓氣機(jī)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件之一，其葉片工作過(guò)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(lái)物的損傷，出現(xiàn)故障的概率較高[1-6]。壓氣機(jī)葉片失效，輕則導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失效影響任務(wù)的順利完成，重則可能造成等級(jí)事故;因此，研究分析壓氣機(jī)葉片的失效機(jī)理，采取有效的針對(duì)性措施，對(duì)于避免同類(lèi)故障的再發(fā)生，提高發(fā)動(dòng)機(jī)使用可靠性和安全性有重要意義。

發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)速和排氣溫度等參數(shù)突然出現(xiàn)異常，停車(chē)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)均無(wú)損傷和外來(lái)物進(jìn)入痕跡，尾噴管有明顯掛鋁。進(jìn)一步檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)：進(jìn)口導(dǎo)流葉片、低壓一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)氣邊良好，排氣邊有損傷；低壓二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片有1件距根部20 mm處折斷；二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片及其后的各級(jí)葉片均有不同程度損傷。

本研究對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片失效情況進(jìn)行調(diào)查分析，確定首斷件，并對(duì)其斷口進(jìn)行宏觀和顯微分析，結(jié)合裂紋的萌生和擴(kuò)展過(guò)程，對(duì)故障機(jī)理進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 首斷件的判定

發(fā)動(dòng)機(jī)返廠后，分解至轉(zhuǎn)、靜子組件狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片均勻不同程度的損傷，其中低壓二、三、四級(jí)轉(zhuǎn)子葉片損傷程度較為嚴(yán)重，1件低壓二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片從葉根R上方約20 mm處斷裂(圖1)。

圖1 低壓轉(zhuǎn)子葉片打傷情況Fig.1 Damage of low-pressure rotor blades

發(fā)動(dòng)機(jī)其他部件的損傷情況：低壓壓氣機(jī)靜子葉片全部打傷，在排氣邊出現(xiàn)不同程度掉塊；高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)、靜子葉片普遍存在打傷、掛鋁；高壓機(jī)匣、擴(kuò)散機(jī)匣、導(dǎo)向器機(jī)匣、排氣混合器、燃油噴嘴頭部、火焰筒頭部進(jìn)氣部位及內(nèi)壁、渦輪部件導(dǎo)向葉片及轉(zhuǎn)子葉片均存在不同程度的掛鋁。

該型發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)共五級(jí)，其中一、五級(jí)葉片材質(zhì)為鈦合金，二、三、四級(jí)葉片材質(zhì)為鋁合金。根據(jù)分解情況可以看出，從低壓一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的排氣邊開(kāi)始，低壓壓氣機(jī)流道內(nèi)的轉(zhuǎn)、靜子葉片打傷均比較嚴(yán)重，說(shuō)明肇事物比較大并非常見(jiàn)的小顆粒物，同時(shí)進(jìn)口導(dǎo)葉和低壓一級(jí)轉(zhuǎn)葉的進(jìn)氣邊良好，可以排除發(fā)動(dòng)機(jī)吸入外來(lái)物打傷的可能，斷裂的低壓二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片符合肇事物的特征，因此確定斷裂的低壓二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片為本次故障的首斷件。

1.2 斷口宏觀分析

從首斷件斷口形貌(圖2)來(lái)看，靠進(jìn)氣邊一側(cè)斷口顏色較深，斷口上可看到明顯的疲勞弧線特征，約占整個(gè)斷口面積的1/2，斷面較平坦，應(yīng)為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)；靠排氣邊一側(cè)斷口較為新鮮，呈銀灰色，斷面較粗糙，應(yīng)為最終瞬斷區(qū)。低壓二級(jí)轉(zhuǎn)葉斷裂應(yīng)起始于進(jìn)氣邊一側(cè)，斷裂系疲勞斷裂。從斷裂低壓二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片表面形貌來(lái)看，斷口附近進(jìn)氣邊漆層處有修補(bǔ)過(guò)的痕跡。

1.3 斷口微觀分析

用掃描電鏡微觀觀察，斷口進(jìn)氣邊有一處打傷形貌，打傷處呈翻邊形貌，與斷面不平齊，顏色較為新鮮，打傷部位與斷面交接處可看到疲勞特征，且裂紋源未從該處起始，打傷應(yīng)為二次損傷所致。進(jìn)氣邊附近葉盆側(cè)有一黑點(diǎn)，放射棱線收斂于此，裂紋從該處起始，點(diǎn)源，裂紋向葉背側(cè)和排氣邊擴(kuò)展，斷面可見(jiàn)明顯的擴(kuò)展棱線特征。斷口形貌見(jiàn)圖3。

圖2 低壓二級(jí)轉(zhuǎn)葉斷裂形貌Fig.2 Fracture morphology of low-pressure rotor blade

圖3 斷口源區(qū)形貌Fig.3 Morphology of fracture source

高倍觀察可見(jiàn)，起源黑點(diǎn)處呈沿晶形貌，源區(qū)有腐蝕產(chǎn)物，能譜分析腐蝕產(chǎn)物成分除基體元素外還含有S、Cl等腐蝕性元素，源區(qū)附近的漆層有鼓包現(xiàn)象，疲勞裂紋起始于腐蝕損傷，腐蝕損傷區(qū)大小約為0.3 mm×0.3 mm(圖4)；擴(kuò)展區(qū)較為平坦，無(wú)明顯塑性變形痕跡，疲勞弧線特征明顯，疲勞條帶清晰，擴(kuò)展前中期呈解理形貌，擴(kuò)展后期呈解理和韌窩交替的形貌，這表明后期擴(kuò)展速率較快，擴(kuò)展區(qū)約占整個(gè)斷面面積的1/2(圖5)；瞬斷區(qū)為韌窩形貌。微觀觀察結(jié)果表明,葉片斷裂起始于腐蝕損傷的疲勞斷裂，未見(jiàn)材料冶金缺陷。

1.4 漆層分析

從漆層表面形貌看，除打傷部位和源區(qū)附近漆層有損傷外，其他部位漆層大體較為完整，漆層表面未見(jiàn)明顯的腐蝕麻坑等形貌；從進(jìn)氣邊漆層形貌看，進(jìn)氣邊葉盆側(cè)漆層經(jīng)過(guò)修補(bǔ)，有明顯修補(bǔ)痕跡；從漆層與基體結(jié)合看，源區(qū)附近漆層與基體間存在縫隙，基體有因腐蝕形成的泥紋花樣形貌，見(jiàn)圖6。

圖4 源區(qū)沿晶形貌Fig.4 Intergranular morphology of source

圖5 擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶形貌Fig.5 Fatigue striations of extension zone

挑選同臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)其他進(jìn)氣邊同樣經(jīng)過(guò)補(bǔ)漆修理的低壓壓氣機(jī)二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片5件，解剖后檢查漆層結(jié)合情況，結(jié)果為：5個(gè)試樣漆層與基體結(jié)合處均未見(jiàn)分層、縫隙等；在補(bǔ)漆部位新漆與舊漆的結(jié)合處，2件葉片存在微小縫隙(分別為79、86 μm)，其他3件葉片試樣未見(jiàn)縫隙，與首斷件源區(qū)附近漆層的鼓包現(xiàn)象相比有明顯差異；此外，對(duì)漆層剝落部位進(jìn)行能譜分析，除1件葉片一處漆層剝落部位存在S、Cl等腐蝕性元素外，其他葉片的漆層剝落部位均未見(jiàn)腐蝕性元素。分析表明現(xiàn)行的補(bǔ)漆工藝能夠滿足外場(chǎng)的使用要求；外場(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期工作后，低壓壓氣機(jī)葉片漆層剝落部位可能會(huì)附著微量的腐蝕性元素。

圖6 漆層與基體縫隙形貌Fig.6 Gap morphology between paint and matrix

1.5 硬度分析

對(duì)首斷件和相鄰葉片榫頭部位分別進(jìn)行布氏硬度測(cè)定，表明斷裂葉片及同級(jí)葉片硬度符合技術(shù)要求。

2 分析與討論

宏微觀觀察結(jié)果表明低壓二級(jí)轉(zhuǎn)葉斷裂系起始于腐蝕損傷的疲勞斷裂。

疲勞源區(qū)位于進(jìn)氣邊葉盆一側(cè)，源區(qū)存在約0.3 mm×0.3 mm的腐蝕損傷區(qū)，呈沿晶斷裂特征；源區(qū)位于修補(bǔ)漆層處，該處漆層有缺損、鼓包等現(xiàn)象，源區(qū)附近漆層與基體存在縫隙，源區(qū)漆層的破損使得腐蝕性元素進(jìn)入基體產(chǎn)生腐蝕損傷，疲勞裂紋從該處萌生，是葉片斷裂的主要原因。

低壓壓氣機(jī)二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片表面的防腐涂層主要起隔離基體、防止腐蝕的功能，葉片腐蝕只有在漆層破損，腐蝕介質(zhì)接觸基體時(shí)才能發(fā)生。葉片表面漆層破損后，大氣中的S、Cl等腐蝕元素附著于基體表面，其中的Cl對(duì)氧化膜具有極強(qiáng)的穿透性，一旦穿透，Cl極易與Al發(fā)生反應(yīng)[7-9]。具體機(jī)理如下：氧化膜破損的區(qū)域作為陽(yáng)極，未破損的區(qū)域作為陰極，發(fā)生了電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，葉片腐蝕后出現(xiàn)沿晶形貌，疲勞強(qiáng)度降低，裂紋從腐蝕處萌生，在振動(dòng)力、離心力和氣動(dòng)力的綜合作用下，裂紋擴(kuò)展直至葉片斷裂。

常見(jiàn)的葉片漆層失效原因主要有漆層質(zhì)量、氣流沖刷和外物打傷3種可能[10-12]。如漆層質(zhì)量不好，表現(xiàn)形式為漆層較大面積的剝落，與本次漆層損傷現(xiàn)象不同；而氣流沖刷主要表現(xiàn)為葉片進(jìn)氣邊沿葉身高度方向漆層均勻減薄，不會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似故障葉片的點(diǎn)狀掉漆現(xiàn)象。本次故障葉片的裂紋源區(qū)存在漆層點(diǎn)狀損傷引起的腐蝕，根據(jù)其它大修發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓壓氣機(jī)葉片進(jìn)氣邊也發(fā)現(xiàn)有外來(lái)顆粒打傷造成的漆層點(diǎn)狀損傷，可推測(cè)導(dǎo)致首斷件漆層破損的原因?yàn)橥鈦?lái)物打傷。

本次葉片損傷位于葉根附近大應(yīng)力部位，屬危險(xiǎn)截面。漆層破損后，在高濕和含鹽環(huán)境下，腐蝕介質(zhì)沉積在漆層破損處，葉片在損傷處出現(xiàn)晶間腐蝕，萌生裂紋并擴(kuò)展，直至斷裂。

因故障葉片的損傷位于葉根附近進(jìn)氣邊葉盆側(cè)，工作時(shí)容易積碳或形成其它附著物，外場(chǎng)檢查時(shí)不易發(fā)現(xiàn)，可能是損傷在定檢時(shí)未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的原因。

3 檢查控制措施

針對(duì)此次葉片葉根附近進(jìn)氣邊漆層損傷未能及時(shí)檢出的情況，對(duì)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的檢查方法進(jìn)行細(xì)化，主要內(nèi)容為：

1)檢查時(shí)先將葉片用洗油進(jìn)行擦拭，去除積碳及其它附著物。

2)對(duì)葉片進(jìn)氣邊進(jìn)行目視檢查，除正常檢查外，重點(diǎn)檢查距葉根75 mm范圍內(nèi)的損傷情況。

3)對(duì)葉盆側(cè)不易直接觀察的部位，采用觸摸和借助反光鏡的方法進(jìn)行檢查。

4)發(fā)現(xiàn)損傷按相關(guān)要求進(jìn)行修理。

4 結(jié)論

1)低壓壓氣機(jī)二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

2)葉片疲勞起源的原因?yàn)槿~片進(jìn)氣邊漆層打傷剝落，腐蝕介質(zhì)接觸基體引起局部晶間腐蝕。

3)腐蝕損傷位于葉片葉根附近的高應(yīng)力區(qū)，屬危險(xiǎn)截面，晶間腐蝕使疲勞強(qiáng)度降低，裂紋從腐蝕處萌生、擴(kuò)展直至葉片斷裂。

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Fracture Analysis on Compressor Blade of Aero-engine

LI Zhao

(NavalEquipmentDepartment,Xi’an710021,China)

The compressor of an aero-engine suddenly broke down during service. After decomposition and checking, the first broken blade was found according to the damage features. Fatigue fracture was confirmed by macro-analysis on the fracture, which originated from the intake side edge. Microscopic analysis on the fracture showed the fatigue fracture was caused by corrosion damage. Analysis on the paint indicated that the corrosion damage was caused by paint breakage around the fracture zone. In the high humidity and salt environment, corrosive ions deposited at the zone of paint breakage. As a result, intergranular corrosion appeared, and then crack initiated and extended until fracture. The paint was broken due to external damage. According to the failure cause, the inspection method of the secondary low-pressure compressor rotor blades in the outfield was refined.

compressor blade; first broken blade; fracture; paint breakage; corrosion

2017年1月23日

2017年3月20日

李釗(1986年-)，男，碩士，工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造質(zhì)量控制、故障分析、失效預(yù)防等方面的研究。

V232.4

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.02.008

1673-6214(2017)02-0112-04