某型風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片裂紋失效分析

卜嘉利，高志坤，佟文偉，李 青，孫佳斯

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要零部件之一，其質(zhì)量的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和使用性能[1]。目前，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片故障以榫頭處裂紋和葉身裂紋這2種失效模式為主[2-3]。一旦風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片失效，葉片碎塊會對壓氣機(jī)造成傷害，甚至?xí)舸C(jī)匣，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作，因此對風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片故障進(jìn)行深入研究意義重大。

為研究某型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片在室溫下的疲勞性能，在該葉片第1階彎曲振型下進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)。葉片與試驗(yàn)夾具之間固支方式為根部固支。利用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、電渦流位移傳感器和位移振幅測量儀等儀器，在電磁振動(dòng)臺上進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)葉片榫頭和葉身處有裂紋萌生。該風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片材料為TC17鈦合金。TC17鈦合金是1種富β穩(wěn)定元素的α-β型2相鈦合金，具有強(qiáng)度高、斷裂韌性好、淬透性高和鍛造溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片等零部件上廣泛應(yīng)用[4-7]。葉片主要加工工藝流程為鍛造、車加工、銑加工、振動(dòng)光飾、手工精拋、噴丸和2次光飾。

本文通過對故障葉片外觀檢查、斷口宏微觀分析、表面檢查、金相組織檢查、成分分析、硬度檢查和有限元分析，確定了該故障葉片裂紋的性質(zhì)，分析了裂紋萌生的原因，提出了改進(jìn)建議。

1 檢查與分析結(jié)果

1.1 外觀檢查

葉片裂紋熒光顯示圖像如圖1所示。葉片共有2條裂紋，分別命名為A、B裂紋。從圖中可見，A裂紋位于葉身與緣板的轉(zhuǎn)接部位，裂紋沿葉片厚度方向裂透；B裂紋位于葉片榫頭工作面，沿榫頭厚度方向裂透，并擴(kuò)展到葉背側(cè)葉身處，葉背側(cè)榫頭工作面有明顯的磨蹭痕跡，葉盆側(cè)榫頭工作面有明顯擠壓痕跡。

圖1 葉片裂紋熒光顯示圖像

1.2 斷口分析

將故障葉片的2條裂紋打開，斷口宏觀形貌如圖2所示，從圖中可見，斷口表面較平坦，呈金屬光澤，磨損較重，可見明顯的疲勞弧線和放射棱線特征，表明斷口性質(zhì)為疲勞。根據(jù)疲勞弧線和放射棱線的方向判斷，A裂紋斷口疲勞起源于葉背側(cè)葉身與緣板的轉(zhuǎn)接區(qū)域；B裂紋斷口疲勞起源于葉背側(cè)榫頭工作面區(qū)域。

圖2 故障葉片斷口宏觀圖像

2條裂紋斷口源區(qū)微觀放大形貌如圖3所示。從圖中可見放射棱線特征，根據(jù)放射棱線的匯聚方向判斷，A裂紋斷口疲勞起源于葉背側(cè)葉身與緣板的轉(zhuǎn)接區(qū)域表面，B裂紋斷口疲勞起源于葉背側(cè)榫頭工作面的表面，均呈多源線性特征，源區(qū)均未見明顯的冶金缺陷。對2條裂紋斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行放大觀察，可見細(xì)密的疲勞條帶形貌（如圖4所示），進(jìn)一步表明A和B裂紋斷口的性質(zhì)均為疲勞。

圖3 A和B裂紋斷口源區(qū)微觀形貌

圖4 A和B裂紋斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

斷口在超聲波清洗儀中清洗后，對B裂紋斷口源區(qū)表面基體進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1。從表中可見，表面基體含有大量的鐵元素。TC17鈦合金中鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常少，B裂紋斷口源區(qū)表面的鐵應(yīng)是來源于葉片夾具。表明在試驗(yàn)過程中，夾具與葉片榫頭夾持段相互碰摩，榫頭夾持段基體萌生了裂紋，夾具的鐵元素從裂紋中進(jìn)入榫頭基體，從而使斷口源區(qū)表面基體的鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高。

表1 B裂紋斷口源區(qū)表面基體能譜分析結(jié)果 wt%

1.3 表面檢查

A裂紋斷口源區(qū)附近表面宏、微觀放大形貌都可見明顯的加工刀痕，部分?jǐn)嗫谠磪^(qū)沿加工刀痕斷裂如圖5所示。圖5（a）虛線圈內(nèi)源區(qū)附近表面沿刀痕斷裂，而實(shí)線框內(nèi)源區(qū)附近表面沒沿刀痕斷裂。圖5（b）虛線圈內(nèi)源區(qū)附近表面沒沿刀痕斷裂，而實(shí)線框內(nèi)源區(qū)附近表面沿刀痕斷裂。從A裂紋斷口源區(qū)附近表面存在加工刀痕可知，葉片葉身與緣板的轉(zhuǎn)接部位表面加工質(zhì)量較差。

圖5 A裂紋斷口源區(qū)附近表面宏、微觀形貌

B裂紋斷口源區(qū)附近表面宏、微觀放大形貌如圖6所示。從圖中可見裂紋和較明顯的磨損痕跡，表明B裂紋斷口源區(qū)附近表面受到較大的擠壓應(yīng)力。夾具與葉片裝夾如圖7所示。從圖中可見夾具邊緣與葉片榫頭接觸位置和B裂紋斷口源區(qū)附近表面的疲勞起源位置相重疊。

B裂紋斷口源區(qū)附近表面能譜分析結(jié)果見表2。此處同樣含有大量的鐵元素，進(jìn)一步證明B裂紋斷口源區(qū)附近表面與夾具之間存在碰摩現(xiàn)象。

1.4 成分分析

故障葉片基體能譜分析結(jié)果見表3，主要合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 B裂紋斷口源區(qū)附近表面宏、微觀形貌

圖7 夾具與葉片裝夾

表2 B裂紋斷口源區(qū)附近表面基體能譜分析結(jié)果 wt%

表3 故障葉片基體能譜分析結(jié)果 wt%

1.5 金相組織檢查

在故障葉片榫頭和葉身處取樣進(jìn)行組織檢查，組織形貌如圖8所示。從圖中可見取樣均為典型的網(wǎng)籃組織，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 故障葉片組織形貌

1.6 硬度檢查

對故障葉片基體取樣進(jìn)行硬度檢查，結(jié)果見表4，符合設(shè)計(jì)要求。

1.7 有限元分析

故障葉片A裂紋斷口疲勞起源于葉背側(cè)葉身與榫頭的轉(zhuǎn)接區(qū)域表面，源區(qū)有加工刀痕，且部分源區(qū)起始于加工刀痕。為明確加工刀痕對疲勞起源的影響，利用Abaqus有限元分析軟件對葉片進(jìn)行應(yīng)力分析。葉片模型和預(yù)制刀痕葉片模型（建模時(shí)預(yù)制刀痕深度為實(shí)際測量值8 um，刀痕深度采用optacom輪廓粗糙度儀進(jìn)行測量）都在UG中建模生成，然后再導(dǎo)入Abaqus有限元分析軟件中。葉片有限元模型如圖9（a）所示，采用C3D10單元類型進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，共劃分11295個(gè)單元，45176個(gè)節(jié)點(diǎn)。葉片預(yù)制刀痕有限元模型如圖9（b）所示，同樣采用C3D10單元類型進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，共劃分23427個(gè)單元，43597個(gè)節(jié)點(diǎn)。在有限元分析時(shí)，榫頭部位邊界條件為根部固支。有限元分析結(jié)果如圖10所示。從圖中可見，在葉身與緣板的轉(zhuǎn)接部位表面沒有加工刀痕時(shí)，故障葉片第1階最大振動(dòng)應(yīng)力分布在遠(yuǎn)離A裂紋斷口疲勞源區(qū)的葉身處，排除了最大振動(dòng)應(yīng)力對故障葉片A裂紋斷口疲勞起源的影響。而在葉身與緣板的轉(zhuǎn)接部位（A裂紋斷口疲勞源區(qū)附近）表面存在加工刀痕時(shí)，葉片第1階最大振動(dòng)應(yīng)力分布在加工刀痕處，說明加工刀痕促進(jìn)了疲勞裂紋的過早萌生。

表4 故障葉片基體布氏硬度測量結(jié)果 HB/d

圖9 葉片有限元模型

2 分析與討論

由斷口分析結(jié)果可知，故障葉片裂紋斷口平坦光滑、可見疲勞弧線和放射棱線，擴(kuò)展區(qū)可見細(xì)密的疲勞條帶等特征，表明故障葉片裂紋的性質(zhì)為高周疲勞[8-10]。2條裂紋斷口疲勞源區(qū)未見明顯的冶金缺陷；成分和組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求；硬度符合設(shè)計(jì)要求。以上結(jié)果說明該故障葉片疲勞裂紋的萌生與材質(zhì)和冶金缺陷無關(guān)。

圖10 葉片第1階振動(dòng)應(yīng)力分布

A裂紋斷口疲勞源區(qū)附近表面可見明顯的加工刀痕，且裂紋斷口部分源區(qū)起始于加工刀痕。有限元分析結(jié)果表明，當(dāng)葉片疲勞源區(qū)附近表面沒有加工刀痕時(shí)，葉片第1階最大振動(dòng)應(yīng)力部位與疲勞源區(qū)位置不重合；而當(dāng)葉片疲勞源區(qū)附近表面存在加工刀痕時(shí)，葉片第1階最大振動(dòng)應(yīng)力分布在加工刀痕處。表明加工刀痕對疲勞裂紋的萌生起促進(jìn)作用[11-12]。

從B裂紋源區(qū)附近表面有較明顯的磨損痕跡、裂紋斷口疲勞源區(qū)表面和疲勞源區(qū)附近表面都含有大量的鐵元素可知，在振動(dòng)試驗(yàn)過程中，夾具和葉片榫頭的夾持部位發(fā)生了相互磨蹭。研究表明[13-15]，鈦合金材料表面耐磨性較差，敏感性極高，鈦合金表面發(fā)生磨損會降低其表面完整性，使得抗疲勞性能下降，對疲勞裂紋的萌生起促進(jìn)作用。

由圖 1（a）可知 A、B 裂紋相交且呈“T”字型，通過裂紋“T”型法理論（若1個(gè)零件出現(xiàn)2塊或者多塊碎片時(shí)，拼合后形成“T”字型，通常情況下，橫貫裂紋為主裂紋）[16]可以判斷，A裂紋的萌生早于B裂紋。再者通過對圖2（a）觀察可知，A裂紋斷口被B裂紋分為左右2個(gè)區(qū)域，將2個(gè)區(qū)域斷口拼合后形成完整的疲勞弧線，進(jìn)一步證明A裂紋的萌生先于B裂紋，A裂紋疲勞擴(kuò)展充分后，B裂紋才擴(kuò)展到與A裂紋的交匯點(diǎn)，并繼續(xù)沿榫頭厚度方向擴(kuò)展，不再沿葉片高度方向繼續(xù)擴(kuò)展。

綜上所述，故障葉片A裂紋的萌生早于B裂紋。故障葉片A疲勞裂紋的萌生與葉片表面的加工刀痕有關(guān)，而B疲勞裂紋的萌生與夾具和榫頭夾持段的磨損有關(guān)。

3 結(jié)論

（1）某型風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片2條裂紋的性質(zhì)均為高周疲勞，均呈多源線性特征；

（2）故障葉片A裂紋的萌生早于B裂紋；

（3）故障葉片表面的加工刀痕對A裂紋的萌生起促進(jìn)作用，B裂紋的萌生與夾具和榫頭夾持段的磨損有關(guān)；

（4）2條裂紋的過早萌生與材質(zhì)和冶金缺陷無關(guān)。