渦輪盤中隱藏多年的瑕疵導致波音767燒毀

■ 陳光/北京航空航天大學

渦輪盤中隱藏多年的一個暇疵導致一架客機的燒毀！可見在發(fā)動機的研制中，對高速旋轉(zhuǎn)的零件，特別是處于高溫下的渦輪盤，要從材料的源頭抓起，不僅要精心設(shè)計、嚴格試驗，還要在冷熱加工過程中一絲不茍，使產(chǎn)品能承受長時間運行的考驗。

美國航空公司（AA）的1架裝有2臺CF6-80C2B6發(fā)動機的767-300ER客機，于2016年10月28日執(zhí)行由芝加哥飛往邁阿密的AA383航班任務(wù)，機上載有乘客161人，機組人員9人。當飛機在跑道上加速滑行2000m己達到起飛速度時，只聽見“嘭”的一聲巨響，右側(cè)發(fā)動機推力急劇下降，飛行員根據(jù)當時的情況立即終止了起飛，飛機在滑行了820m后停在了跑道上，乘務(wù)員當即打開了飛機上的應(yīng)急滑梯（機身左側(cè)2個，機身右側(cè)前部1個）組織乘客緊急疏散，機上170人均安全逃離飛機。由于左側(cè)發(fā)動機并未停車，發(fā)動機排氣尾流導致從滑梯逃離的1名乘客重傷，21人輕傷。事故原因是通向發(fā)動機的燃油總管，以及機翼內(nèi)的燃油箱被甩出的發(fā)動機高壓渦輪第二級輪盤的斷塊打斷與打穿，大量燃油泄漏引發(fā)大火，將飛機右側(cè)機翼及機體燒毀，如圖1、圖2所示。

事故原因

打斷燃油總管的渦輪輪盤斷塊來自于右側(cè)發(fā)動機高壓渦輪第二級輪盤發(fā)生的非包容破裂。當飛機在跑道上加速到140km/h即將離地、發(fā)動機處于起飛推力狀態(tài)時，第二級高壓渦輪輪盤突然爆裂成兩大塊，其中質(zhì)量為25.7kg的A塊被甩出發(fā)動機后，先打斷了向燃燒室供燃油的總管，繼而又將飛機右機翼油箱底打穿，在將右機翼打出兩個洞后飛出895m打穿了聯(lián)合包裹服務(wù)（UPS）公司的倉庫屋頂，最后落在倉庫內(nèi)的地板上。輪盤的另一大半塊甩出發(fā)動機后，砸向跑道摔成三塊（B、C、D）飛出近420m分別墜落到另一跑道邊的草地上，其中B、C、D塊的質(zhì)量分別為37.8kg、3kg和0.9kg。高壓渦輪第二級輪盤最終破裂成4塊，如圖3所示。

圖1 由飛機流出的燃油引發(fā)飛機發(fā)生大火

圖2 飛機右側(cè)機翼與機身嚴重燒毀

圖3 高壓渦輪第二級輪盤破裂成4塊

圖4 CF6-80C2高壓渦輪轉(zhuǎn)子組件

出事的CF6-80C2B6發(fā)動機由1級風扇、4級增壓壓氣機、14級高壓壓氣機、2級高壓渦輪（見圖4）與5級低壓渦輪組成，發(fā)動機已工作了68785h/10984循環(huán)。

通過對輪盤殘骸的斷面進行觀察，發(fā)現(xiàn)在輪盤前緣的盤心處有明顯的黑灰色區(qū)域（見圖5），輪盤是由此處開始斷裂的。對斷裂區(qū)進行電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)在輪盤表面下細晶包圍出一個3.81mm×2.54mm的白色區(qū)域，如圖6所示，此區(qū)域中有多個條紋與裂紋，被稱為“不連續(xù)的白斑點區(qū)”。通過進一步的觀察與分析，不連續(xù)的白斑點區(qū)是由于材料中存在微米級的氧化物造成的。由于輪盤表面下（即輪盤內(nèi)部）存在著由雜質(zhì)產(chǎn)生的微裂紋與條紋，在長期處于低循環(huán)條件下工作，裂紋逐漸增長直至輪盤爆裂。出現(xiàn)故障的輪盤是在工作10984循環(huán)后爆裂的，其設(shè)計壽命為15000循環(huán)。

經(jīng)過美國國家運輸安全委員會（NTSB）與GE航空集團的分析與研究，確認輪盤材料中存在的微米級氧化物是在輪盤材料熔煉過程中未能清除而殘留在材料中的，且在生產(chǎn)當年以及投入使用后，也無法探測到。

圖5 輪盤斷面

圖6 電子顯微鏡下的斷裂區(qū)

CF6-80C2B6的高壓渦輪第二級輪盤所用材料為In718鎳基合金，出故障的輪盤是1997年生產(chǎn)的。首先是由美國的ATI 特殊材料公司根據(jù)GE的技術(shù)文件要求，采用三重熔煉法（真空感應(yīng)熔煉、電渣重熔與真空電弧重熔）獲得In718的鑄錠。采用三重熔煉是為了消除材料中的雜質(zhì)，保證材料的各項指標符合要求。澆鑄的鑄錠直徑為254mm，交給威曼高登公司作進一步的熱加工，首先將鑄錠的頂端與底部切割掉，然后再切成9個坯料，每個壞料經(jīng)過3個方向的多次錘鍛以及相應(yīng)的熱處理后，形成可供機械加工的鍛坯，1997年8月8日威曼高登公司將符合規(guī)范要求的鍛坯交給德國的MTU公司。MTU公司對此鍛坯加工出最終的輪盤。在各制造工序中，均按GE的要求，采用超聲波探測儀對原材料與加工好的輪盤進行過多次探傷，但均未發(fā)現(xiàn)引起這次故障的微隙。當年ATI特殊材料公司用于探傷的超聲波探測技術(shù)與2017年年底該公司用的技術(shù)是一樣的，所用的探傷設(shè)備也是按同一設(shè)計制成的。

1998年2月，MTU公司對發(fā)生故障的輪盤完成了最終檢查后，簽發(fā)了合格證，發(fā)送到GE航空集團，同年3月此輪盤裝到CF6-80C2B6發(fā)動機上，發(fā)動機序號為ESN 690-373。1998年4月30日，波音公司向美國航空公司交付了裝有ESN690-373此次發(fā)生故障發(fā)動機的767客機。

在ESN 690-373發(fā)動機服役的18年中，高壓渦輪第二級輪盤曾按美國聯(lián)邦航空局（FAA）適航指令進行過2次強制性的檢測，即2011年1月15日與2017年3月25日，檢測的手段均符合FAA的有關(guān)指令，結(jié)果表明輪盤質(zhì)量無問題，也未發(fā)現(xiàn)隱藏在輪盤內(nèi)的微隙。

由于在熔煉過程中，鎳基合金微米級的氧化物未被清除干凈，所形成的瑕疵隱藏在輪盤內(nèi)部無法探測出來，經(jīng)過一萬多次低循環(huán)加載與卸載，裂隙逐步擴大發(fā)展，最終導致高壓渦輪第二級輪盤爆裂。

經(jīng)核實，與故障件同期（1997年）生產(chǎn)的高壓渦輪第二級輪盤共有36件，其中8件仍在使用，GE航空集團對此進行了高分辨率的超聲探測檢查，未發(fā)現(xiàn)存在問題。

圖7 高壓渦輪第一級輪盤爆裂引發(fā)著火

發(fā)生在高壓渦輪第一級輪盤上的類似故障

CF6-80C2發(fā)動機的高壓渦輪第一級輪盤曾出現(xiàn)過數(shù)次非包容爆裂故障。例如，2000年9月22日美國航空公司的767-2B7(ER)進行地面維修性試車時，1號發(fā)動機第一級高壓渦輪輪盤爆裂，甩出的斷片造成飛機左翼下部著火，使飛機及1號發(fā)動機受到損壞；2002年12月28日新西蘭航空公司的767-219(ER)，爬升到3400m時高壓渦輪第一級輪盤爆裂，斷塊打穿發(fā)動機及短艙，打壞飛機左翼前緣；2006年6月2日美國航空公司的767-223（ER）進行地面調(diào)整試車時，高壓渦輪第一級輪盤爆裂，斷塊打壞飛機多處并引發(fā)著火（見圖7）；另外還有5起類似故障。但是，第二級輪盤出現(xiàn)破裂故障還是第一次。

2008年1月31日，NTSB將CF6-80C2高壓渦輪第一級輪盤出現(xiàn)多次非包容爆裂的可能原因歸納為：高壓渦輪第一級輪盤為疲勞斷裂，是由于一條晶間裂紋造成的破裂，原因是高壓渦輪輪盤設(shè)計不完善，造成在榫槽底部后圓角處有一個高應(yīng)力區(qū)，此處的應(yīng)力接近或等于材料的許用應(yīng)力，因此只要有一點小瑕疵就可能造成起裂，裂紋發(fā)展后造成輪盤破裂。為此，GE航空集團對輪盤榫槽底部后圓角處進行了設(shè)計修改，并要求在加工、裝配與使用中，避免在該圓角處出現(xiàn)人為的傷痕，此后再未出現(xiàn)類似的故障。

結(jié)束語

從高壓渦輪輪盤中隱藏多年的瑕疵引發(fā)價值2億美元的767客機燒毀，以及設(shè)計缺陷造成多起高壓渦輪第一級輪盤非包容爆裂等嚴酷事例說明，在發(fā)動機研制中，對高速旋轉(zhuǎn)的零件，特別是處于高溫下的渦輪盤，要特別認真對待，要從材料的源頭抓起，不僅要精心設(shè)計、嚴格試驗，還要在冷熱加工過程中一絲不茍，使產(chǎn)品能承受長時間運行的考驗。