大型鋁合金風(fēng)機葉片斷裂原因

左玉婷, 杜風(fēng)貞, 張麗民, 夏 雯, 劉淑鳳

(1.國合通用測試評價認(rèn)證股份公司，北京 100088；2.國標(biāo)(北京)檢驗認(rèn)證有限公司，北京 100088)

地鐵風(fēng)機為地鐵站的重要通風(fēng)設(shè)備。某地鐵隧道軸流風(fēng)機葉片在工作中發(fā)生了多起斷裂事故，導(dǎo)致風(fēng)機函道內(nèi)非驅(qū)動端一側(cè)錐形環(huán)發(fā)生脫焊并被扯斷，機殼多處破損，軸流風(fēng)機地腳減振墊發(fā)生移動，軟連接處破損撕裂；該風(fēng)機周圍的設(shè)備也受到了不同程度的撞擊，事故現(xiàn)場破壞嚴(yán)重，如圖1所示。該風(fēng)機主要負(fù)責(zé)列車運行前的隧道送風(fēng)工作，兼顧隧道排煙。該風(fēng)機服役6 a發(fā)生了斷裂，正常情況下地鐵風(fēng)機可使用10 a以上[1-6]，該風(fēng)機屬于早期失效。

圖1 風(fēng)機葉片斷裂事故現(xiàn)場

該風(fēng)機葉片材料為高強度低壓鑄鋁合金(ZL114A)。為避免此類事故再次發(fā)生，作者對風(fēng)機葉片的碎片進(jìn)行拼接，觀察并統(tǒng)計了葉片的表面?zhèn)?，同時對碎片進(jìn)行了宏觀分析、微觀分析、能譜分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、組織結(jié)構(gòu)分析，以找到葉片的斷裂原因。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌

通過斷口痕跡和形狀比對將所有風(fēng)機葉片碎片拼接成較完整的原始葉片，編號為1～14。通過比對每個葉片根部的原始生產(chǎn)批號刻痕，還原葉片在風(fēng)機中的位置次序，如圖2所示。分別觀察并統(tǒng)計每個葉片碎片的數(shù)量、完整度，碎片表面及側(cè)面的沖擊、擦傷、劃傷痕跡以及葉片斷口特點、缺陷。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：9號葉片的碎片數(shù)量最多，為16片，其次是3，10，4，8號葉片；同時發(fā)現(xiàn)4～7號葉片碎片的斷口均存在夾渣缺陷，其中，5號葉片碎片存在多處夾渣，總面積為5.25 cm2。

圖2 風(fēng)機葉片拼接后還原的位置圖

由圖3可以看出：5，9，10號葉片根部斷口均存在亮白色區(qū)域，尺寸分別為6.5 cm×1.4 cm、6.5 cm×1.4 cm、6.7 cm×1.3 cm；5號葉片表面無嚴(yán)重沖擊痕跡，表面擦傷不嚴(yán)重，斷口存在大塊夾渣；9號葉片碎片拼接較完整，僅在靠近根部區(qū)域缺失尺寸約6 cm×12 cm的大碎片，整個葉片表面、頂部及頂部側(cè)面擦傷非常嚴(yán)重；10號葉片為碎片缺失最嚴(yán)重的葉片，缺失總面積為300 cm2。

圖3 碎片拼接后得到的不同葉片的表面及斷口宏觀形貌

1.2 斷口微觀形貌

采用JSM-6510型掃描電鏡(SEM)觀察葉片斷口微觀形貌，發(fā)現(xiàn)各個葉片的大部分?jǐn)嗫诰^平，呈沖擊脆性斷裂特征，部分葉片斷口存在明顯的夾渣。由圖4可以看出，10號葉片斷口呈脆性解理斷裂形貌，為沖擊斷裂特征。

圖4 10號葉片斷口SEM形貌

由圖5可以看出，5號葉片斷口較亮，呈褶皺形貌，經(jīng)能譜分析可知，斷口上夾渣的氧元素含量較高，結(jié)合褶皺的形貌推斷該夾渣為氧化皮夾渣。

由圖6可以看出：5號葉片根部斷口分為3個區(qū)域，圖6a)箭頭匯聚處為靠近表面的疲勞裂紋源區(qū)，亮白色的發(fā)散區(qū)域為疲勞裂紋擴展區(qū)，發(fā)暗的粗糙區(qū)域為瞬斷區(qū)；裂紋源區(qū)存在長為1.6 mm的夾渣，形貌與圖5中觀察到的氧化皮夾渣的褶皺形貌相似，判斷該葉片的裂紋起源于靠近表面區(qū)域的氧化皮夾渣；裂紋擴展區(qū)可以清晰地看到互相平行的、與裂紋擴展方向垂直的疲勞條紋，判斷該葉片的斷口為疲勞斷口，疲勞條紋密集，且間距較小，說明該疲勞斷口為低應(yīng)力高周疲勞斷口。9，10號葉片的根部斷口觀察結(jié)果與5號的類似，裂紋均起源于近表面的夾渣缺陷處。

圖5 5號葉片斷口SEM形貌及夾渣的能譜分析結(jié)果

圖6 5號葉片根部斷口SEM形貌

1.3 化學(xué)成分

為了檢驗鋁合金風(fēng)機葉片材料的化學(xué)成分，分別取5，14號葉片進(jìn)行分析。

由表1可以看出，除鐵元素外，其他元素的含量均符合GB/T 1173—2013《鑄造鋁合金》對ZL114A鋁合金的要求。14號葉片鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，超出標(biāo)準(zhǔn)(小于0.2%)規(guī)定的1.5倍，5號葉片鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.73%，超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.6倍。

表1 5，14號葉片的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.4 力學(xué)性能

表2為5，14號鋁合金風(fēng)機葉片的室溫拉伸性能及布氏硬度測試結(jié)果。力學(xué)性能試樣是從葉片上直接切取的尺寸為φ5 mm的圓棒試樣。由表2可知，兩個葉片的抗拉強度、斷后伸長率均滿足GB/T 9438—2013《鋁合金鑄件》規(guī)定的抗拉強度不低于單鑄試樣的75%、斷后伸長率不低于單鑄試樣的50%的要求。而布氏硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)不低于95 HB的要求。因此，失效葉片的室溫拉伸性能及硬度均符合要求。

表2 5，14號葉片的力學(xué)性能測試結(jié)果

1.5 顯微組織

為了確定鋁合金葉片的微觀組織是否合格，取5號葉片進(jìn)行了金相檢驗、掃描電鏡(SEM)分析及低倍缺陷檢驗。

圖7和圖8所示分別為5號葉片橫截面試樣的顯微組織及SEM形貌。由圖7可以看出，5號葉片截面顯微組織為典型的鑄造鋁硅合金的枝晶組織，α枝晶與共晶體分布均勻，共晶硅呈點狀或蠕蟲狀，說明該鋁硅合金變質(zhì)處理正常。由圖8可見，合金組織中含有大量長針狀的AlFeSi相。

圖7 5號葉片橫截面顯微組織

圖8 5號葉片橫截面SEM形貌

根據(jù)GB/T 3246.2-2012《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗方法 第2部分：低倍組織檢驗方法》的技術(shù)要求，在10號葉片根部斷口附近取樣進(jìn)行低倍缺陷檢驗，金相顯微鏡和掃描電鏡下的疏松缺陷形貌如圖9所示，可見該葉片疏松嚴(yán)重，依照標(biāo)準(zhǔn)評為4級疏松，這種大量疏松及脆性相在材料受力過程中容易引起應(yīng)力集中，從而降低材料的強度及塑性。

圖9 10號葉片在金相顯微鏡和SEM下的疏松缺陷形貌

1.6 X射線探傷

由斷口及金相檢驗結(jié)果可知，斷裂葉片存在夾渣及疏松缺陷，為進(jìn)一步確定葉片的內(nèi)部質(zhì)量，根據(jù)GB/T 9438—2013的技術(shù)要求采用MU2000-D XL型X射線實時成像檢查系統(tǒng)對風(fēng)機葉片進(jìn)行X射線無損探傷。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的分類規(guī)定，該風(fēng)機葉片的內(nèi)部質(zhì)量應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)中對Ⅱ類鑄件的要求。用X射線照相法分別檢驗了5,9,10號葉片根部軸頭和部件內(nèi)部的針孔、氣孔、疏松等情況，并進(jìn)行了評級。結(jié)果如表3所示，可見3個葉片不同部位缺陷評級情況相同，葉片中主要缺陷為針孔缺陷，根部軸頭區(qū)域長形針孔缺陷達(dá)到6級，葉片部件區(qū)域圓形或長形針孔缺陷為3級，且兩個區(qū)域的針孔缺陷均均勻分布。由于失效葉片受到多處沖擊，因此無法判斷10號葉片的裂紋是材料原始的裂紋還是由于機械碰撞產(chǎn)生的。值得注意的是，在探傷結(jié)果中未發(fā)現(xiàn)大量的夾渣，而從葉片斷口的宏觀分析中發(fā)現(xiàn)了多處大小為2 cm的夾渣，判斷是由于X射線照相法檢測夾渣時只能區(qū)分與基體成分密度相差較大的高密度或低密度夾渣，而當(dāng)夾渣為氧化皮夾渣時，密度與基體差別不大，因此不易檢出，同時夾渣厚薄以及夾渣與檢驗面所成的角度都會影響X射線照相法對夾渣的檢驗結(jié)果。

表3 斷裂葉片根部斷口周圍的內(nèi)部缺陷評級結(jié)果

由X射線探傷結(jié)果可知，斷裂葉片根部軸頭區(qū)域長形針孔缺陷達(dá)6級，超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2級，因此可以判斷該葉片根部軸頭區(qū)域內(nèi)部質(zhì)量不符合GB/T 9438—2013的要求。

2 分析與討論

葉片的化學(xué)成分分析結(jié)果表明，雜質(zhì)鐵元素超出GB/T 1173—2013規(guī)定范圍的2.6倍，將嚴(yán)重降低葉片的韌性。根據(jù)SEM分析結(jié)果可知，斷裂風(fēng)機葉片中鋁硅合金變質(zhì)處理正常，但組織中含有大量的針狀及魚骨狀的AlFeSi相，這種雜質(zhì)相容易增大材料的脆性，降低斷后伸長率。由低倍檢驗結(jié)果可知，該斷裂葉片存在4級疏松，這種嚴(yán)重的疏松缺陷在材料受力過程中容易引起應(yīng)力集中，從而降低材料的強度及塑性。由X射線探傷結(jié)果可知，失效葉片根部軸頭區(qū)域長形針孔缺陷達(dá)6級，超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2級的要求，因此可以判斷該葉片根部軸頭區(qū)域內(nèi)部質(zhì)量不符合GB/T 9438—2013的要求。由斷口分析結(jié)果可知，5，9，10號葉片根部斷口為低應(yīng)力高周疲勞斷口，其余斷口均為快速沖擊斷口。而5，10號葉片根部疲勞裂紋源位于靠近表面的氧化皮夾渣處，9號葉片根部疲勞裂紋源位于靠近表面的疏松缺陷處；同時在斷口中發(fā)現(xiàn)葉片存在粗大的氧化皮夾渣，5號葉片斷口單個夾渣尺寸為2 cm，夾渣總面積為2.5 cm2。夾渣的存在嚴(yán)重降低了葉片的斷裂性能。

由葉片的宏觀分析結(jié)果可知，各葉片表面(不包含側(cè)面)均未見較深的沖擊凹坑，排除外來異物進(jìn)入與葉片發(fā)生撞擊導(dǎo)致斷裂的可能性。由于首先發(fā)生斷裂的葉片在離心力的作用下其碎片可能與其他仍在高速旋轉(zhuǎn)的葉片發(fā)生碰撞，而導(dǎo)致更加嚴(yán)重的破碎，因此首斷葉片的破碎程度可能較高。而發(fā)生疲勞斷裂的葉片，可能是最先發(fā)生斷裂的葉片，除5，9，10號葉片根部斷口為疲勞斷口外，其余斷口均為快速沖擊斷口，因此這3個葉片最先發(fā)生斷裂的可能性較大?？梢酝茢?，由于5，9，10號風(fēng)機葉片根部發(fā)生疲勞斷裂，這3個葉片中一個首先發(fā)生疲勞斷裂，碎片撞擊錐形環(huán)導(dǎo)致錐形環(huán)脫焊掉落，并沖擊其余葉片，同時葉片碎片也在風(fēng)機風(fēng)筒內(nèi)撞擊筒壁及其他完好葉片而成為碎片，最終導(dǎo)致整個風(fēng)機葉片全部斷裂。3個葉片斷口的疲勞區(qū)面積相當(dāng)，說明其發(fā)生疲勞的開始時間大致接近。其中，由于9號葉片側(cè)面存在與錐形環(huán)的沖擊凹坑，說明9號葉片未發(fā)生斷裂時錐形環(huán)已經(jīng)斷裂，部分掉落，因此9號葉片不是首斷件，5，10號葉片可能為首斷件。而9號葉片碎片的數(shù)量最多、表面劃傷最嚴(yán)重，說明9號葉片較早發(fā)生斷裂，破碎較嚴(yán)重。從葉片的排列順序可知，9號葉片與10號葉片為相鄰的葉片，兩者之一發(fā)生斷裂，極易造成周圍的另一個葉片發(fā)生斷裂，而成為較早發(fā)生斷裂的葉片。因此10號葉片為首斷件的可能性較大。由于10，5，9號葉片均為疲勞斷裂，說明在風(fēng)機發(fā)生失效前一段時間，葉片已經(jīng)存在巨大的斷裂隱患，即使沒有異物的沖擊，葉片最終也將在疲勞擴展到臨界值時而發(fā)生快速斷裂，至于哪一個葉片首先斷裂，已經(jīng)不是最為重要的問題[7-11]。

3 結(jié)論及建議

鋁合金風(fēng)機葉片的斷裂原因是葉片內(nèi)部存在大量粗大的氧化皮夾渣以及疏松、針孔缺陷，而葉片根部區(qū)域是葉片應(yīng)力集中區(qū)域，此處若存在一定尺寸的缺陷，最容易萌生疲勞裂紋。在離心力和氣動力的作用下，葉片根部將承受拉力、彎曲和扭轉(zhuǎn)作用力，一旦葉片根部萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋會在這種復(fù)合應(yīng)力的作用下發(fā)生擴展，最終導(dǎo)致葉片快速斷裂。

建議按照標(biāo)準(zhǔn)要求對葉片的化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織及鑄造缺陷等進(jìn)行檢驗，提高葉片冶金質(zhì)量，提高葉片使用的可靠性。針對已投入使用的風(fēng)機葉片，通過宏觀分析或采用探傷的方法檢查葉片是否存在疲勞裂紋，排除潛在隱患，減少事故的發(fā)生，降低損失。載荷也是影響材料疲勞斷裂的主要因素，應(yīng)考慮風(fēng)機整個管網(wǎng)設(shè)計是否合理，風(fēng)機運行時載荷是否過大，再進(jìn)行設(shè)計校核計算，防止過載運行。