高壓壓氣機一、二級盤連接鼓封嚴(yán)齒裂紋故障分析

陳剛 王任翔 王藝霖

摘 要：某型發(fā)動機返廠大修檢查時目視檢查發(fā)現(xiàn)高壓壓氣機一、二級盤組合件連接鼓處有一處裂紋，此裂紋貫穿一、二級盤連接鼓處三道封嚴(yán)齒，長20mm，高壓轉(zhuǎn)子為發(fā)動機核心部件，一旦失效將對發(fā)動機造成不可估量的影響。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機；裂紋；強度

中圖分類號：V231 文獻標(biāo)志碼：A

1 冶金分析

1.1 故障件整體情況

故障件外觀顏色正常，裂紋位于一級盤的三道封嚴(yán)齒上，向一、二級盤兩側(cè)擴展，裂紋已穿透封嚴(yán)齒及連接鼓壁厚，長20mm。宏觀上看，故障件封嚴(yán)齒齒頂為金屬色，裂紋處齒頂寬度相比于其他位置明顯變寬，說明磨損較重。

1.2 斷口分析

裂紋斷口呈深黃色，在第一齒和第二齒上可見明顯的起始于各自齒頂?shù)钠诨【€，第三齒上可見由第二齒擴展而來的疲勞弧線。源區(qū)處未見冶金缺陷，但氧化嚴(yán)重，疲勞擴展區(qū)可見疲勞弧線和疲勞條帶。裂紋性質(zhì)均為疲勞裂紋。

1.3 齒頂表面檢查及能譜分析

裂紋起源處的齒頂表面可見多條“微裂紋”，在第三齒齒頂上也可見類似的“微裂紋”，幾個位置上的齒頂面上均存在微裂紋，微裂紋較淺，封嚴(yán)齒上殘留了較多的蜂窩材質(zhì)成分。

1.4 基體組織檢查

對故障件基體組織進行檢查，并與兩個非故障盤進行對比，3個盤基體組織均為網(wǎng)籃組織，組織未見明顯異常。

1.5 非故障盤齒尖形貌檢查

為了確認(rèn)非故障盤封嚴(yán)齒尖是否有微裂紋，選取不同使用時間的13臺一二級盤組合件，對一級盤封嚴(yán)齒裂紋情況進行宏觀檢查和微觀檢查，宏觀檢查通過目視檢查和放大鏡檢查，微觀檢查通過取樣使用掃描電子顯微鏡檢查，非故障盤封嚴(yán)齒目視和放大鏡檢查均未見裂紋。

1.6 冶金分析結(jié)論

①故障件裂紋為疲勞裂紋，組織未見明顯異常；②故障件出現(xiàn)疲勞起源的封嚴(yán)齒頂上均可見由于磨損受熱導(dǎo)致的組織燒傷現(xiàn)象，裂紋附近封嚴(yán)齒齒頂存在蜂窩成分的金屬層，封嚴(yán)齒頂上存在多條微裂紋，因此裂紋的產(chǎn)生與封嚴(yán)齒磨損有關(guān)。

2 強度設(shè)計復(fù)查

2.1 強度試驗復(fù)查

某型發(fā)動機完成了高壓壓氣機轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)/破裂試驗、低循環(huán)疲勞試驗，高壓壓氣機轉(zhuǎn)子通過了試驗考核，試驗結(jié)果表明高壓壓氣機轉(zhuǎn)子強度壽命儲備滿足規(guī)范要求。

2.2 共振分析

為排查裂紋故障與一、二級盤連接鼓振動的相關(guān)性，分別按照行波振動和強迫振動開展了共振分析工作。一、二級盤組合件連接鼓主要激振因素為一、二級轉(zhuǎn)子葉片受到靜子葉片激振后，將周期性激勵通過盤榫連接傳遞到一、二級盤和連接鼓上，對可能激起齒尖振動的振型按照行波振動進行頻率裕度分析，從頻率裕度分析結(jié)果和相對振動應(yīng)力分布可知，封嚴(yán)齒一般難以出現(xiàn)有害的振動。

2.3 動應(yīng)力測量

工作轉(zhuǎn)速下，封嚴(yán)齒尖部的振動應(yīng)力水平均較低，最大振動應(yīng)力值為11MPa。

2.4 復(fù)查結(jié)論

①一、二級輪盤強度儲備滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；②輪盤振動特性分析結(jié)果表明，一、二級盤連接鼓發(fā)生有危害性行波振動的可能性較??；③動測結(jié)果表明，一、二級盤連接鼓動應(yīng)力很小，強度儲備滿足要求。

3 實物復(fù)查

3.1 故障件尺寸測量

對故障件進行了相關(guān)尺寸測量，測量采用圓周16測點均布，裂紋位置為起始點，從測量結(jié)果可知：①裂紋處封嚴(yán)齒磨損比較嚴(yán)重，封嚴(yán)齒高度減小，與無裂紋處最大相差0.47，比理論值小0.46；②由于裂紋處磨損嚴(yán)重，齒尖寬度變寬，比無裂紋處寬約0.2；③一級盤連接鼓壁厚超差，比理論尺寸厚0.05～0.11；④二級盤后止口超差單邊變大0.073。分析表明，故障件封嚴(yán)齒裂紋處比非裂紋處齒尖直徑減小，齒頂變寬。

3.2 窩磨損深度

測量了50臺份大修機一二級盤連接鼓封嚴(yán)齒直徑及一級蜂窩磨損深度，從測量結(jié)果可知，故障臺封嚴(yán)齒平均直徑偏小，磨損偏重。查詢了國外相關(guān)資料，蜂窩的磨損深度在CFM56-7B和某國外資料要求的上限，甚至超過上限要求。

3.3 蜂窩表面硬度對比

為比較國內(nèi)外蜂窩硬度差別，開展了蜂窩表面承載試驗，使用布氏硬度計在蜂窩表面進行同載荷、同時間的加載試驗，以比較兩種蜂窩壓痕大小。試驗結(jié)果表明：

①國產(chǎn)件釬焊后承載能力高于釬焊前蜂窩，說明釬焊工藝使蜂窩硬度加強；②國產(chǎn)蜂窩表面承載能力明顯高于國外件蜂窩，說明國產(chǎn)蜂窩較硬，更容易造成封嚴(yán)齒磨損。

3.4 復(fù)查結(jié)論

①對故障件進行尺寸測量，一級封嚴(yán)齒磨損嚴(yán)重，其余基本合格；②故障件一級封嚴(yán)套兩側(cè)掛鉤寬度及高度均偏大較多，變形情況嚴(yán)重，使封嚴(yán)套與靜子內(nèi)環(huán)塊配合間隙增大，封嚴(yán)套松動；③故障臺蜂窩磨損深度偏大；④與國外蜂窩相比，國產(chǎn)蜂窩磨損深度較深，蜂窩較硬，電解磨工藝造成故障臺和批產(chǎn)機蜂窩表面有明顯金屬熔化物堆積現(xiàn)象，且釬焊料堆積現(xiàn)象嚴(yán)重，這些因素會導(dǎo)致發(fā)動機工作時對封嚴(yán)齒的磨損更嚴(yán)重。

4 故障機理

由故障件斷口分析結(jié)果可知，裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋，源區(qū)處未見冶金缺陷，但源區(qū)氧化嚴(yán)重，存在明顯的氧化顆粒特征；出現(xiàn)疲勞起源的封嚴(yán)齒頂上可見由于磨損受熱導(dǎo)致的組織燒傷現(xiàn)象，且封嚴(yán)齒頂殘留有蜂窩材質(zhì)成分，因此裂紋的產(chǎn)生應(yīng)和封嚴(yán)齒與蜂窩碰摩有關(guān)。

通過理論分析表明故障部位應(yīng)力及儲備滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，振動應(yīng)力測量結(jié)果也表明，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，一、二級盤組合件連接鼓以及封嚴(yán)齒尖部振動應(yīng)力均較低，動強度儲備滿足要求。但封嚴(yán)齒和蜂窩的實際磨損情況表明，在發(fā)動機工作過程中，封嚴(yán)齒與蜂窩發(fā)生碰摩，使封嚴(yán)齒受到了機械沖擊應(yīng)力、交變熱應(yīng)力等載荷作用，導(dǎo)致封嚴(yán)齒尖部材料燒傷，抗力下降；封嚴(yán)齒頂在與蜂窩摩擦過程中，蜂窩的融化物逐漸堆積在封嚴(yán)齒尖表面，隨著不斷的碰摩，逐漸產(chǎn)生微裂紋并擴展，形成裂紋。另一方面，國產(chǎn)蜂窩（包括故障件）最終加工完后，焊料堆積較嚴(yán)重，且蜂窩表面和側(cè)壁附著較多金屬融化物，造成蜂窩硬度偏大，當(dāng)與封嚴(yán)齒發(fā)生碰摩時，對封嚴(yán)齒損傷更大，更容易造成過度碰摩，導(dǎo)致封嚴(yán)齒尖燒傷進而出現(xiàn)微裂紋。

5 故障原因分析

①裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋，故障件封嚴(yán)齒與蜂窩碰摩嚴(yán)重是造成封嚴(yán)齒裂紋的直接原因；②故障臺一級靜子內(nèi)環(huán)封嚴(yán)套變形，使蜂窩環(huán)固定不穩(wěn)定，發(fā)動機工作時，蜂窩環(huán)與封嚴(yán)齒頻繁碰摩，使封嚴(yán)齒承受頻繁的沖擊載荷；國產(chǎn)蜂窩釬焊后焊料堆積嚴(yán)重，采用電解磨加工方式后，蜂窩上金屬融化物殘留較多，使蜂窩硬度偏大，加重了封嚴(yán)齒磨損，是封嚴(yán)齒產(chǎn)生裂紋的主要原因；③封嚴(yán)齒與蜂窩徑向間隙偏小，使封嚴(yán)齒磨損較重。

6 排故措施

根據(jù)故障原因分析，故障發(fā)生主要與蜂窩和封嚴(yán)齒碰摩相關(guān)，為了有效防止此類故障發(fā)生，提出以下幾點排故措施：

①對高壓壓氣機封嚴(yán)齒與蜂窩徑向間隙進行優(yōu)化調(diào)整，通過調(diào)整蜂窩直徑尺寸進行間隙優(yōu)化；②根據(jù)蜂窩直徑調(diào)整后尺寸修改某型發(fā)動機高壓壓氣機蜂窩磨損標(biāo)準(zhǔn)；③優(yōu)化蜂窩真空釬焊和補焊工藝，控制蜂窩焊后焊料堆積及堆積高度；④優(yōu)化蜂窩電加工參數(shù)，減少金屬熔化物的產(chǎn)生，并對電加工后的蜂窩先用鋼刷再用毛刷刷除金屬熔化物殘留。

參考文獻

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