高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片斷裂分析

李 彥 ，都建京 ,4，陳 星 ,4,*，劉新靈 ,4，李佳佳

（1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.中國(guó)航發(fā)失效分析中心，北京 100095；5.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500）

0 引言

疲勞斷裂是機(jī)械裝備轉(zhuǎn)動(dòng)部件發(fā)生失效的主要模式。造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片疲勞斷裂失效的原因較為復(fù)雜，往往涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、加工制造以及使用環(huán)境等。因此，對(duì)壓氣機(jī)葉片斷裂原因的分析以及系統(tǒng)研究的雖然很多[1-5]，但壓氣機(jī)葉片斷裂的案例仍頻繁出現(xiàn)，其中一個(gè)重要的原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和由于加工尺寸超差復(fù)合作用下出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題[6]。

發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺(tái)模擬試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生故障，尾噴管出現(xiàn)大量火星。經(jīng)分解檢查發(fā)現(xiàn)，壓氣機(jī)第Ⅰ、Ⅱ級(jí)轉(zhuǎn)子葉片受損嚴(yán)重，為故障發(fā)生的關(guān)鍵部件，其余結(jié)構(gòu)件也均有不同程度損傷。發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺(tái)試驗(yàn)27 h 30 min，發(fā)動(dòng)機(jī)累積也僅運(yùn)行了126 h。Ⅰ、Ⅱ級(jí)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子均為整體葉盤，材料為1Cr12Ni2WMoVNb 鋼。

本研究對(duì)Ⅰ、Ⅱ級(jí)葉盤葉片及其相關(guān)件的斷口特征和性質(zhì)進(jìn)行分析，確認(rèn)失效肇事件，并分析其斷裂原因。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

1.1 斷裂宏觀特征分析

Ⅰ級(jí)葉盤中的輪盤部分保存完好，未見明顯損傷。31 件葉片全部從葉根處斷裂，葉片斷口磨損嚴(yán)重，磨損方向與轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)?yīng)。采用體視鏡觀察，Ⅰ級(jí)葉片中有3 件葉片斷口存在較為明顯的疲勞特征，其中兩兩之間的葉片數(shù)分別為11、6、11 件，呈等腰三角形分布（圖1），且“腰”上葉片數(shù)基本為底邊葉片數(shù)量的2 倍。其他葉片均為過(guò)載瞬時(shí)斷裂。

圖1 Ⅰ級(jí)葉盤斷裂外觀示意圖Fig.1 Appearance of the first-stage blisk blade

發(fā)生疲勞斷裂的3個(gè)葉片斷口宏觀特征相似，斷口平坦，可見典型的疲勞弧線，從弧線方向可判斷斷口源區(qū)匯聚至葉背寬度方向中部表面，斷口呈小線源，源區(qū)至進(jìn)氣邊、排氣邊距離分別約為12.2、12.0 mm，裂紋沿葉片厚度方向擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)可見大量的疲勞弧線，擴(kuò)展深度接近葉片厚度，疲勞區(qū)大小約為10～17 mm2，其余區(qū)域斷面粗糙，與疲勞平面呈一定的夾角（圖2）。

圖2 Ⅰ級(jí)葉盤葉片斷口宏觀特征Fig.2 Macro appearance of the first-stage blade fracture

Ⅱ級(jí)葉盤中輪盤部分保存完好，未見明顯損傷，41 件葉片全部從葉根處斷裂，葉片斷口磨損嚴(yán)重，磨損方向與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相對(duì)應(yīng)（圖3）。

圖3 II 級(jí)葉盤外觀形貌Fig.3 Appearance of the second-stage blisk blade

采用體視鏡觀察，Ⅱ級(jí)葉盤所有葉片斷口在葉背中部表面均可見擴(kuò)展深度約為0.5 mm 的平坦區(qū)域，斷口可見弧線特征（圖4），呈粗糙大線源，源區(qū)寬度約占整個(gè)葉寬的1/2，裂紋沿葉片厚度方向擴(kuò)展，顯示為典型的大應(yīng)力作用下的疲勞裂紋快速擴(kuò)展特征，其余絕大部分區(qū)域均為瞬斷區(qū)。

圖4 II 級(jí)葉盤葉片斷口宏觀形貌Fig.4 Macro appearance of the second-stage blade fractures

圖5 機(jī)匣內(nèi)表面擊穿位置Fig.5 Breakdown position of inner surface of casing

對(duì)與Ⅰ級(jí)葉盤疲勞斷裂葉片位置對(duì)應(yīng)的機(jī)匣外觀進(jìn)行分析。在機(jī)匣內(nèi)表面可見與葉片刮磨和變形的痕跡，另外在機(jī)匣上可見2 處擊穿現(xiàn)象（圖5），擊穿長(zhǎng)度分別為15、20 mm，且該2 處擊穿的弧形夾角與Ⅰ級(jí)轉(zhuǎn)子上2個(gè)疲勞斷裂葉片分布弧形夾角吻合。分析認(rèn)為，該擊穿是Ⅰ級(jí)葉片發(fā)生疲勞斷裂后打傷所致。在與Ⅰ級(jí)葉盤另一個(gè)疲勞斷裂葉片對(duì)應(yīng)的機(jī)匣內(nèi)表面可見周向劃傷痕跡。

對(duì)收集到的4 件Ⅰ級(jí)靜子葉片碎塊進(jìn)行宏微觀分析可知，4 件靜子葉片斷口形貌相似，斷口較粗糙，呈剪切磨損光亮特征，分析認(rèn)為Ⅰ級(jí)靜子葉片均為過(guò)載瞬時(shí)斷裂。

1.2 斷口微觀觀察

對(duì)Ⅰ級(jí)葉盤發(fā)生疲勞斷裂的3個(gè)葉片斷口、Ⅱ級(jí)葉盤葉片斷口以及Ⅰ級(jí)整流葉片斷口等經(jīng)超聲波清洗后放入掃描電鏡進(jìn)行觀察。

Ⅰ級(jí)葉盤3 件疲勞斷裂的葉片斷口微觀形貌相似。源區(qū)位于表面，具有小線源特征，3 件葉片斷口均可見相對(duì)較深的加工刀痕，葉片側(cè)表面也可見深淺不一的加工刀痕，深度分別為1.2、1.7、2.8 μm，且可見多條平行于斷口方向沿較深加工刀痕開裂的小裂紋。斷口裂紋沿葉片厚度方向擴(kuò)展，擴(kuò)展前期可見大量細(xì)密的疲勞條帶，擴(kuò)展后期除了可見疲勞條帶外，還可見疲勞弧線特征。3 件葉片裂紋擴(kuò)展深度分別為1.7、1.3、1.6 mm，擴(kuò)展區(qū)較為充分，瞬斷區(qū)為韌窩特征（圖6）。對(duì)斷口各個(gè)區(qū)域進(jìn)行能譜分析可知，斷面上除了局部含Al 元素外，未見其他異常。

圖6 I 級(jí)葉盤葉片斷口典型微觀形貌Fig.6 Microcosmic appearance of first-stage blisk blade fracture

Ⅱ級(jí)葉盤所有葉片均斷裂于葉片根部，均可見疲勞特征。Ⅱ級(jí)葉盤葉片的疲勞源區(qū)位于葉背葉寬中部表面，呈大線源特征，源區(qū)未見明顯的冶金缺陷，源區(qū)側(cè)面可見打磨痕跡，裂紋沿厚度方向擴(kuò)展；擴(kuò)展區(qū)可見大量相對(duì)較寬的疲勞條帶，擴(kuò)展中后期疲勞條帶寬度達(dá)到了4 μm，可見裂紋擴(kuò)展速率較高，裂紋擴(kuò)展深度也僅為0.5 mm，呈現(xiàn)出大應(yīng)力作用下裂紋快速擴(kuò)展特征；瞬斷區(qū)為韌窩特征。對(duì)Ⅱ級(jí)葉盤葉片的斷口各個(gè)區(qū)域進(jìn)行能譜分析可知，除了疲勞擴(kuò)展后期可見一定量的Al 元素外，其他位置未見明顯異常。

Ⅰ級(jí)整流葉片斷口整個(gè)斷面均為韌窩特征，可知Ⅰ級(jí)整流葉片為過(guò)載斷裂。

1.3 金相分析

對(duì)Ⅰ、Ⅱ級(jí)葉盤的葉片和輪盤部分分別制取金相試樣，磨制、拋光、腐蝕后進(jìn)行金相組織觀察和晶粒度檢查。由結(jié)果可知，Ⅰ、Ⅱ級(jí)葉盤組織均勻，均為馬氏體組織，晶粒度均為7～8 級(jí)（圖7），符合晶粒度不大于5 級(jí)的要求。

圖7 葉盤葉片金相組織Fig.7 Metallurgical structure of blisk blade

1.4 硬度測(cè)試

對(duì)Ⅰ、Ⅱ級(jí)葉盤葉片和輪盤分別制取硬度試樣進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，并根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》換算成布氏硬度，葉片、輪盤硬度平均值分別為HBS 366、357、352、354，均符合技術(shù)要求（HBS 321～401），且位于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的中值區(qū)間。

1.5 粗糙度測(cè)試

對(duì)Ⅰ級(jí)葉盤中發(fā)生疲勞斷裂的葉片、葉根、葉寬中部表面進(jìn)行粗糙度測(cè)試，表面粗糙度平均值為0.633～1.482 μm，大多超出了技術(shù)條件（Ra≤0.8 μm）要求。

1.6 力學(xué)性能測(cè)試

由于尺寸限制，只在Ⅰ級(jí)葉盤輪盤上參照《力學(xué)性能測(cè)試圖冊(cè)》截取并加工2 件非標(biāo)力學(xué)性能試樣（M2504?N014），進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，結(jié)果符合技術(shù)要求。

2 分析與討論

依據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，綜合分析可知：

1）Ⅰ級(jí)葉盤所有葉片均斷裂于葉片根部，其中3 件葉片斷口存在疲勞特征，兩兩之間的葉片數(shù)分別為11、6、11 件，呈等腰三角形分布，符合結(jié)構(gòu)性疲勞裂紋萌生擴(kuò)展和斷裂的基本特征[7-8]。

2）3 件Ⅰ級(jí)葉盤葉片疲勞斷裂于葉根表面處，葉片均沿厚度方向擴(kuò)展，擴(kuò)展較充分，裂紋擴(kuò)展深度分別為1.7、1.3、1.6 mm，遠(yuǎn)高于Ⅱ級(jí)葉片疲勞裂紋深度，3 件Ⅰ級(jí)疲勞葉片分布位置與機(jī)匣損傷擊穿位置相對(duì)應(yīng)。結(jié)合以上結(jié)構(gòu)特征和斷口宏微觀特征，可以判斷Ⅰ級(jí)葉盤的3 件疲勞葉片為首斷件[9-12]，為一彎振動(dòng)應(yīng)力所致；Ⅱ級(jí)葉盤葉片為系統(tǒng)失穩(wěn)后大應(yīng)力快速疲勞斷裂，為受害件。

3）3 件Ⅰ級(jí)疲勞葉片微觀可見典型的疲勞條帶，源區(qū)側(cè)面未見明顯的冶金缺陷，但可見明顯的加工痕跡。葉片表面粗糙度平均值為0.633～1.482 μm，部分超出技術(shù)要求，會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度降低。

4）葉盤葉片組織均勻，晶粒度、硬度以及力學(xué)性能均符合技術(shù)要求，與葉片發(fā)生疲勞斷裂無(wú)關(guān)。

Ⅰ級(jí)葉盤3 件疲勞葉片呈等腰三角形分布，且腰上葉片數(shù)基本為底邊葉片數(shù)量的2 倍，規(guī)律性較強(qiáng)，分析認(rèn)為，理論上可能出現(xiàn)5個(gè)位置共振疲勞裂紋（圖8），實(shí)際上卻只出現(xiàn)其中3 處疲勞斷裂，可能與各葉片表面質(zhì)量存在一定差異有關(guān)。因此，分析認(rèn)為Ⅰ級(jí)葉盤葉片斷裂主要與承受較大的一階彎曲共振應(yīng)力有關(guān)。

設(shè)計(jì)人員根據(jù)斷裂特征，對(duì)葉片結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，壓氣機(jī)第一級(jí)葉盤葉片葉型厚度超差，使得K=3 激起的一階彎曲共振轉(zhuǎn)速更靠近慢車轉(zhuǎn)速區(qū)域；疲勞斷裂葉片在裂紋萌生處存在明顯的橫向加工痕跡，降低了疲勞性能。

圖8 I 級(jí)轉(zhuǎn)子葉片疲勞葉片分布規(guī)律Fig.8 Fatigue blade distribution in the first-stage rotor blades

3 結(jié)論

1）Ⅰ級(jí)葉盤葉片中3個(gè)葉片斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，為首斷件；Ⅱ級(jí)葉盤所有葉片均為疲勞斷裂，為受害件。

2）Ⅰ級(jí)葉盤葉片斷裂與承受較大的共振應(yīng)力有關(guān)，壓氣機(jī)第一級(jí)葉盤葉片葉型厚度超差，使得K=3 激起的一階彎曲共振轉(zhuǎn)速更靠近慢車轉(zhuǎn)速區(qū)域；疲勞斷裂葉片在裂紋萌生處存在明顯的橫向加工痕跡，降低了疲勞性能。

3）葉片表面較明顯的加工損傷以及粗糙度較大對(duì)Ⅰ級(jí)葉盤葉片斷裂起到促進(jìn)作用。

4）Ⅰ、Ⅱ級(jí)葉盤組織均勻，晶粒度和硬度以及力學(xué)性能符合要求，葉片的疲勞開裂與此無(wú)關(guān)。