葉身表面條帶對(duì)葉片振動(dòng)疲勞性能影響分析

文/關(guān)紅，邰清安，范秀杰，李光澤·中國(guó)航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司

某轉(zhuǎn)子葉片選用鈦合金制造，該轉(zhuǎn)子葉片在腐蝕檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)每批次有30%～40%數(shù)量的葉片表面存在腐蝕條帶，經(jīng)理化分析判斷為鍛造過程產(chǎn)生的剪切帶細(xì)晶組織，如圖1 所示。通過解剖分析條帶區(qū)的化學(xué)成分、顯微硬度與基體無明顯差異；條帶區(qū)晶粒不具有明顯織構(gòu)。由于無法量化其對(duì)葉片性能和壽命的影響，簡(jiǎn)單的直接報(bào)廢處理無疑會(huì)造成周期變長(zhǎng)和成本的巨大損失。葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)是綜合考核產(chǎn)品使用性能的有效方法之一，因此，急需開展相關(guān)振動(dòng)疲勞測(cè)試工作，確定斷裂產(chǎn)生的原因和斷口性質(zhì)，為后續(xù)處理類似問題提供支撐。

圖1 帶有條帶痕跡的鈦合金葉片

試驗(yàn)方法

振動(dòng)疲勞檢測(cè)

選取某級(jí)葉片中含條帶葉片30 片，編號(hào)1#～ 30#分為A、B 兩組，每組各15 片分別進(jìn)行振動(dòng)疲勞檢測(cè)。A 組：含有一條貫穿條帶的葉片；B 組：含有一條未貫穿條帶的葉片。

熒光檢測(cè)

對(duì)振動(dòng)疲勞有裂紋葉片進(jìn)行熒光檢測(cè)，確定裂紋部位。

開裂葉片斷口分析

將振動(dòng)疲勞有裂紋的葉片進(jìn)行裂紋斷口分析。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

條帶葉片的振動(dòng)疲勞檢測(cè)

采用榫頭固持狀態(tài)考核A 組、B 組的某級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的1 ～3 階頻率，測(cè)量3 片葉片的一階彎曲振動(dòng)應(yīng)力分布，確定最大振動(dòng)應(yīng)力位置，最后考核A 組、B 組的某級(jí)轉(zhuǎn)子葉片一階模態(tài)下的中值振動(dòng)疲勞壽命(榫頭開裂為無效葉片)。

圖2 夾緊力與固有頻率關(guān)系圖

⑴葉片固有頻率測(cè)試。葉片正式測(cè)頻之前先確定夾緊力矩大小，夾緊力矩的大小由試驗(yàn)確定。夾緊力矩與固有頻率關(guān)系如圖2 所示，當(dāng)試驗(yàn)系統(tǒng)不變時(shí)，對(duì)葉片逐漸加大夾緊力矩(橫向頂緊葉片的螺栓的夾緊力矩)，葉片固有頻率值會(huì)逐漸升高，而當(dāng)夾緊力加到某一定值時(shí)，固有頻率不再升高，此時(shí)的夾緊力矩即為葉片頻率測(cè)試的夾緊力矩。本次試驗(yàn)夾緊力矩為60N.m。葉片固有頻率測(cè)試通過錘擊法，經(jīng)過傳遞函數(shù)分析完成葉片1 ～3 階固有頻率測(cè)試。

⑵葉片應(yīng)力分布。在一階彎曲頻率下測(cè)量葉片表面的應(yīng)力分布，確定應(yīng)力最大區(qū)域。應(yīng)變片貼在振動(dòng)應(yīng)力較大的地方，即葉片葉盆的進(jìn)、排氣邊緣，葉背的中部。本試驗(yàn)應(yīng)變片粘貼位置如圖3 所示。

將貼好應(yīng)變片的葉片分別安裝到電磁振動(dòng)臺(tái)上，調(diào)整振動(dòng)臺(tái)的激振力大小，使之達(dá)到一彎共振狀態(tài)，記錄數(shù)據(jù)。應(yīng)力分布試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1(表中數(shù)據(jù)是對(duì)單片葉片最大值的歸一化值)，應(yīng)力沿葉高分布曲線見圖4。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線均可看出，最大應(yīng)力區(qū)域在葉背根部。

圖3 應(yīng)變片粘貼位置示意圖

圖4 應(yīng)力沿葉高分布曲線圖(2 號(hào)件)

表1 葉片應(yīng)力分布試驗(yàn)數(shù)據(jù)(相對(duì)值)

⑶葉片應(yīng)力-幅值標(biāo)定試驗(yàn)。標(biāo)定試驗(yàn)為隨機(jī)抽取三件葉片，在葉背應(yīng)力最大區(qū)域貼應(yīng)變片，經(jīng)過反復(fù)貼片對(duì)比，確定三件葉片的最大應(yīng)力點(diǎn)均在9#位置(葉背根部)，具體位置如圖5 所示。

圖5 標(biāo)定試驗(yàn)應(yīng)變片粘貼位置示意圖

在一彎共振頻率下，調(diào)整振動(dòng)臺(tái)的激振力，讀取不同激振力下葉尖的振動(dòng)幅值(振動(dòng)幅值測(cè)試精度為0.01mm)和應(yīng)力值，利用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，經(jīng)計(jì)算確定幅值與應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

⑷葉片中值疲勞強(qiáng)度考核試驗(yàn)。采用升降法，完成A、B 兩組葉片中值疲勞強(qiáng)度考核試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)公式，得到一條貫穿條帶葉片的中值疲勞極限值為490MPa；一條未貫穿條帶葉片的中值疲勞極限值為480MPa。

斷裂葉片熒光檢測(cè)結(jié)果

將A、B 兩組斷裂的葉片進(jìn)行了熒光檢測(cè)，檢查結(jié)果見表2、表3。

振動(dòng)疲勞試驗(yàn)葉片斷口組織分析

⑴宏觀觀察。送檢的葉片在距排氣邊約6mm 處存在一條基本平行于排氣邊的貫穿性白色亮帶，從葉尖一直延伸到距緣板約15mm 后拐向排氣邊，最終消失在距緣板8mm 處，見圖6(a)中白色箭頭。

葉片裂紋發(fā)現(xiàn)在葉背中根部，為斜線狀，與緣板表面約成20°夾角，長(zhǎng)約10mm，見圖6(a)中黑色箭頭，裂紋放大形貌見圖6(b)。

表2 A 組檢測(cè)結(jié)果

表3 B 組檢測(cè)結(jié)果

圖6 裂紋葉片宏觀形貌

⑵斷口觀察。將該葉片裂紋打開，觀察斷口宏觀及微觀形貌。裂紋斷口宏觀形貌如圖7 所示，從圖中可見，裂紋斷口平坦，顏色為暗灰色。斷口上有明顯的擴(kuò)展弧線，擴(kuò)展深度占整個(gè)斷口的約3/5。從弧線反向歸集，裂紋斷口起始于葉背表面。

將斷口放入掃描電鏡進(jìn)一步放大觀察斷口形貌，相關(guān)圖片見圖8 ～圖11。

圖7 裂紋斷口宏觀形貌

圖8 斷口源區(qū)形貌

圖9 斷口源區(qū)放大形貌

從上述圖片可見，斷口上棱線明顯，起始于表面，為疲勞裂紋斷口，源區(qū)上存在多個(gè)疲勞源。斷口上未見冶金缺陷，側(cè)面未見加工缺陷。斷口擴(kuò)展區(qū)上疲勞條帶形貌如圖10 所示，瞬斷區(qū)上韌窩形貌如圖11 所示。在斷口附近磨制金相試樣觀察組織，顯微組織如圖12 所示。

結(jié)論

⑴中值疲勞強(qiáng)度考核試驗(yàn)按升降法完成，得到一條貫穿條帶葉片的一彎中值疲勞極限為490MPa，一條未貫穿條帶葉片的一彎中值疲勞極限為480MPa。

圖10 疲勞條帶形貌

圖11 斷口上瞬斷韌窩形貌

圖12 基體顯微組織形貌

⑵裂紋源于最大應(yīng)力點(diǎn)處，與細(xì)晶低倍條帶無關(guān)，晶低倍條帶對(duì)葉片一階彎曲振動(dòng)疲勞性能無影響。轉(zhuǎn)子葉片裂紋屬于疲勞斷裂，裂紋與亮條無位置關(guān)系，葉片裂紋位置無冶金缺陷和加工缺陷。