某型葉片疲勞考核開(kāi)裂分析

馮 翔

（中船重工龍江廣瀚燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

在所有現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)上，轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量多，工作條件惡劣，受力復(fù)雜，出現(xiàn)斷裂失效的概率最高。往往一個(gè)葉片的斷裂會(huì)導(dǎo)致其它葉片的破壞，乃至整個(gè)燃機(jī)無(wú)法工作，嚴(yán)重危及燃機(jī)的使用可靠性。然而在眾多葉片斷裂的案例中，僅有少數(shù)屬于外物撞擊造成葉片瞬時(shí)斷裂，除此外絕大多數(shù)是由各種原因?qū)е碌娜~片疲勞斷裂失效。為保證裝機(jī)葉片的疲勞可靠性，降低葉片運(yùn)行過(guò)程中疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，某主機(jī)廠(chǎng)在生產(chǎn)某型葉片過(guò)程時(shí)，從該批次葉片中隨機(jī)抽取10片進(jìn)行疲勞壽命考核試驗(yàn)，其中9片考核合格，1片葉片在試驗(yàn)壽命僅達(dá)考核壽命一半時(shí)，產(chǎn)生裂紋，未通過(guò)考核。

1 裂紋葉片概況

將未通過(guò)疲勞考核的葉片進(jìn)行熒光檢測(cè)，如圖1，葉片表面進(jìn)氣邊側(cè)可見(jiàn)一條明顯裂紋，如圖中箭頭所指。經(jīng)過(guò)測(cè)量，裂紋距葉片排氣邊邊緣約34mm，距葉盆側(cè)身根上緣板高度24mm。且由圖可見(jiàn)裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中存在明顯分叉現(xiàn)象(見(jiàn)圖1中紅色虛線(xiàn)所示)，裂紋整體形貌為中間略寬，兩邊略窄?？沙醪酵茢嗔鸭y的起始位置位于裂紋中部。

圖1 葉片熒光檢測(cè)形貌

2 材料檢驗(yàn)與斷口分析

（1）斷口的宏觀(guān)觀(guān)察。將裂紋葉片沿原始裂紋處人為打開(kāi)，并對(duì)打開(kāi)的裂紋斷口進(jìn)行宏觀(guān)觀(guān)察，如圖2所示，根據(jù)斷口表面形貌不同，可將斷口分為3個(gè)部分。圖2中紅色虛線(xiàn)Ⅰ區(qū)為原始裂紋斷口，黃色虛線(xiàn)Ⅱ區(qū)為人工打開(kāi)斷口，兩種斷口的宏觀(guān)形貌存在明顯差別。

圖2 人為打開(kāi)斷口整體形貌

對(duì)原始裂紋斷口進(jìn)行宏觀(guān)觀(guān)察，由圖3可見(jiàn)，原始裂紋已貫穿透葉片整個(gè)壁厚（約1.58mm），整個(gè)裂紋兩側(cè)區(qū)域相對(duì)平坦，中間區(qū)域較粗糙，且具有明顯的放射狀棱線(xiàn)，根據(jù)棱線(xiàn)分布及走向，可以判斷裂紋擴(kuò)展方向(如圖中紅色箭頭所示)，推斷裂紋源位于放射棱線(xiàn)匯聚區(qū)域，且該區(qū)域顏色較深。

圖3 原始裂紋斷口宏觀(guān)形貌

（2）斷口的微觀(guān)觀(guān)察。將斷口放入掃描電鏡進(jìn)行微觀(guān)觀(guān)察，圖4為斷口的完整微觀(guān)形貌，根據(jù)宏觀(guān)觀(guān)察裂紋源位置以及裂紋整體形貌，將裂紋斷口分為圖4中所示ABC三個(gè)區(qū)域進(jìn)行觀(guān)察，圖5為A區(qū)域放大形貌，通過(guò)圖5左側(cè)二次電子圖像，可見(jiàn)明顯疲勞弧線(xiàn)（圖中紅色箭頭所示），以及河流花樣走向（圖中黃色箭頭所示）。圖5右側(cè)為背散射電子圖像，背散射電子圖像的襯度是由于原子序數(shù)的不同而引起的，可以用來(lái)區(qū)分材料的不同成分。由圖可見(jiàn)，圖5中D、E兩區(qū)域襯度較其他區(qū)域更深，表明D、E兩區(qū)域與其他區(qū)域成分存在不同。通過(guò)測(cè)量，襯度較深D區(qū)域直徑約為0.35mm。

圖4 原始裂紋斷口微觀(guān)形貌

圖5 A區(qū)域微觀(guān)放大形貌

D區(qū)域放大形貌如圖6，斷口表面襯度較深的區(qū)域覆有薄膜狀物質(zhì)，且該物質(zhì)存在一定龜裂現(xiàn)象。E區(qū)域放大形貌如圖7，與D區(qū)域形貌相近，襯度較深區(qū)域均存在相似的薄膜狀物質(zhì)。對(duì)D、E區(qū)域進(jìn)行能譜成分檢測(cè)，檢測(cè)成分見(jiàn)表1。對(duì)比薄膜狀物質(zhì)區(qū)域與其他區(qū)域的微區(qū)成分可知，薄膜狀物質(zhì)區(qū)域氧含量很高，判斷其為氧化夾雜，屬于冶金缺陷。

表1 能譜檢測(cè)成分

圖6 D區(qū)域局部放大形貌

圖7 E區(qū)域局部放大形貌

圖8為B區(qū)與的放大形貌，可見(jiàn)比較清晰的河流花樣，為解理斷口形貌。C區(qū)相對(duì)平坦，其局部放大形貌如圖9，可見(jiàn)疲勞條帶，為疲勞擴(kuò)展的特征。圖10為人工打開(kāi)斷口形貌，與其他區(qū)域形貌存在明顯差異。

圖8 B區(qū)域口微觀(guān)形貌

圖9 C區(qū)域微觀(guān)形貌

圖10 人工打開(kāi)斷口微觀(guān)形貌

3 斷裂原因分析

送檢葉片于葉身進(jìn)氣邊側(cè)產(chǎn)生裂紋，通過(guò)對(duì)葉片裂紋觀(guān)察、斷口觀(guān)察以及微區(qū)成分檢測(cè)，可以得出以下幾點(diǎn)：

（1）裂紋的中間位置存在分叉現(xiàn)象，且整體呈中間寬，兩邊窄形貌。

（2）原始裂紋斷口宏觀(guān)觀(guān)察，斷口中間區(qū)域粗糙，兩側(cè)略平坦，有大量放射狀棱線(xiàn)，根據(jù)放射狀棱線(xiàn)指向，可判斷裂紋起始區(qū)域。

（3）原始裂紋斷口微觀(guān)觀(guān)察，局部可見(jiàn)疲勞弧線(xiàn)，且有明顯河流花樣，屬于解理斷口形貌，裂紋斷口的略平坦區(qū)可見(jiàn)疲勞條帶。根據(jù)疲勞弧線(xiàn)匯聚方向和河流花樣走向，可判斷裂紋起始區(qū)域，與宏觀(guān)觀(guān)察結(jié)果一致。

（4）裂紋起始區(qū)域背散射形貌襯度較深，表面覆有薄膜狀物質(zhì)，對(duì)薄膜狀物質(zhì)進(jìn)行成分分析，氧含量較高，判斷其為氧化夾雜，屬于冶金缺陷。

綜合所述，考核未通過(guò)葉片產(chǎn)生的裂紋由中間區(qū)域，靠近葉片內(nèi)腔側(cè)起始，向兩側(cè)疲勞擴(kuò)展，裂紋起始區(qū)域覆有薄膜狀氧化夾雜。

4 結(jié)語(yǔ)

源區(qū)上存在嚴(yán)重的氧化夾雜是導(dǎo)致葉片疲勞考核未通過(guò)的根本原因，屬于冶金鑄造工藝缺陷，與鑄造工藝控制不嚴(yán)有關(guān)。由于該型葉片內(nèi)腔孔道設(shè)計(jì)復(fù)雜，此次產(chǎn)生的氧化夾雜尺寸較小，盡管該葉片在生產(chǎn)過(guò)程中已經(jīng)過(guò)多種無(wú)損檢測(cè)，但現(xiàn)有的X射線(xiàn)等檢測(cè)方法無(wú)法對(duì)該微小尺寸缺陷進(jìn)行有效監(jiān)控，進(jìn)而導(dǎo)致缺陷葉片未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，存在裝機(jī)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。葉片鑄造廠(chǎng)應(yīng)篩選優(yōu)良凈度原材料，優(yōu)化鑄造工藝，強(qiáng)化生產(chǎn)過(guò)程檢查，提高冶煉時(shí)濾渣排渣能力，同時(shí)提高每批次葉片解剖檢查比例，對(duì)葉片大應(yīng)力位置、結(jié)構(gòu)復(fù)雜位置、易產(chǎn)生缺陷位置等區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)篩查。降低缺陷葉片流入裝機(jī)可能。