發(fā)動(dòng)機(jī)自由渦輪葉片裂紋分析

武 威 ， 滕旭東 ， 陳少俊 ， 任昊天

（1. 中國航發(fā)常州蘭翔機(jī)械有限公司，江蘇 常州 213002；2. 空軍裝備部駐常州地區(qū)軍事代表室，江蘇 常州 213002）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最具有代表性的重要零件，它的質(zhì)量及工作環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率、安全性及可靠性有直接的影響。由于渦輪葉片工作工況惡劣，承受高溫、高轉(zhuǎn)速、高應(yīng)力，常發(fā)生斷裂等故障。渦輪葉片常見斷裂模式為疲勞斷裂及蠕變斷裂。在葉片斷裂的失效案例中，疲勞斷裂占比較高，多發(fā)生在一階彎曲等最大應(yīng)力區(qū)或榫頭部位，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成很大的危害[1]。引起疲勞斷裂的常見原因有振動(dòng)、材料缺陷、加工損傷、磕碰傷及葉身偏薄等問題[2]。而葉片強(qiáng)度、振動(dòng)裕度不足也是導(dǎo)致葉片疲勞斷裂的主要原因之一[3]。針對(duì)上述原因，可以根據(jù)材料屬性的差異，更換材料以提高其強(qiáng)度儲(chǔ)備及共振裕度。對(duì)于在實(shí)際工作過程中出現(xiàn)裂紋的葉片，找出裂紋產(chǎn)生的原因，提出改進(jìn)方法，對(duì)解決并預(yù)防類似故障再次發(fā)生有著非常重要的意義[4-10]。

發(fā)動(dòng)機(jī)在持久試車?yán)卸z孔探時(shí)發(fā)現(xiàn)自由渦輪葉片排氣邊出現(xiàn)穿透性裂紋，經(jīng)分解、熒光檢查發(fā)現(xiàn)多個(gè)葉片排氣邊均出現(xiàn)類似裂紋。葉片材料為牌號(hào)K418B。本研究對(duì)產(chǎn)生裂紋的葉片進(jìn)行宏觀檢查、斷口分析、金相剖切及能譜檢查，以及試車譜復(fù)查、強(qiáng)度、振動(dòng)特性計(jì)算等，確定開裂模式，并對(duì)自由渦輪葉片的開裂原因進(jìn)行分析及驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

對(duì)有裂紋的自由渦輪葉片進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)在距葉尖9～10 mm處的排氣邊存在平直裂紋，裂紋在葉片厚度方向上已基本貫穿。葉片外觀及裂紋形貌見圖1。

圖1 葉片外觀及裂紋形貌Fig.1 Blade appearance and crack morphology

1.2 葉片斷口宏觀觀察

用體視鏡觀察葉片裂紋斷口表面，可見裂紋斷面呈明顯的黑灰氧化色，人工打開斷口表面呈鮮亮的灰白色。裂紋斷口表面可見明顯的疲勞弧線特征。整個(gè)斷面長(zhǎng)約10 mm，靠排氣邊長(zhǎng)約4 mm范圍內(nèi)的斷面平坦，其余斷面高低起伏較大。裂紋起始于葉片排氣邊葉盆表面，呈線性多源特征（圖2）。

圖2 葉片裂紋斷口宏觀形貌Fig.2 Macroscopic appearance of blade crack fracture

1.3 葉片斷口微觀觀察

將葉片斷口置于掃描電鏡下進(jìn)行觀察，可見疲勞裂紋起始于葉片排氣邊葉盆表面，源區(qū)的疲勞臺(tái)階由表面起始后穿過滲層延伸至基體，呈線性多源特征，源區(qū)未見冶金缺陷（圖3）。靠排氣邊長(zhǎng)約4 mm的疲勞裂紋擴(kuò)展前期可見由排氣邊一側(cè)葉盆面向葉背面及進(jìn)氣邊方向擴(kuò)展的疲勞弧線（圖4a）；中、后期斷面高低起伏較大，在葉盆一側(cè)表面局部可見疲勞臺(tái)階和放射棱線以及疲勞弧線（圖4b），局部位置的疲勞弧線擴(kuò)展方向存在一定的差異性；疲勞弧線之間局部位置可見寬窄交替變化的疲勞條帶（圖4c）。

圖3 葉片裂紋斷口低倍形貌Fig.3 Low magnification morphology of blade crack fracture

圖4 葉片裂紋前期疲勞特征Fig.4 Fatigue properties of blade crack

1.4 金相剖切及能譜檢查

在裂紋附近及榫頭進(jìn)行金相剖切（位置見圖5）后檢查發(fā)現(xiàn)，葉片滲層及基體顯微組織正常，無過熱過燒現(xiàn)象。

圖5 葉片金相剖切位置Fig.5 Metallographic cutting position of blade

對(duì)葉片基體及滲層進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1。可知葉片基體及滲層的成分基本正常，符合K418B材料的成分要求。

表1 葉片基體及滲層能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 blade matrix and carburized energy spectrum analysis results（mass fraction /%）

2 葉片強(qiáng)度、振動(dòng)特性分析

2.1 強(qiáng)度計(jì)算

利用ANSYS 軟件對(duì)工作轉(zhuǎn)速下的自由渦輪葉片進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算時(shí)模擬真實(shí)工作情況，對(duì)葉片榫頭進(jìn)行約束，施加工作轉(zhuǎn)速。計(jì)算結(jié)果表明，葉片在工作條件下的最大穩(wěn)態(tài)應(yīng)力位于葉片的葉根部位，其當(dāng)量應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 葉片當(dāng)量應(yīng)力分布Fig.6 Equivalent stress distribution of blade

2.2 振動(dòng)特性計(jì)算

對(duì)自由渦輪葉片進(jìn)行振動(dòng)特性計(jì)算，確定其在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可能發(fā)生共振的轉(zhuǎn)速。分別計(jì)算不同轉(zhuǎn)速時(shí)自由渦輪葉片的固有頻率，繪制坎貝爾圖，如圖7所示。根據(jù)自由渦輪裝配結(jié)構(gòu)，可能引起其共振的激振源有自導(dǎo)的3個(gè)支板（K=3）、自導(dǎo)的19個(gè)葉片（K=19）。

圖7中從原點(diǎn)0始出的3條射線分別代表3倍頻轉(zhuǎn)速線（K=3）、6倍頻（K=6）及19倍頻（K=19）轉(zhuǎn)速線，圖中的2條豎線分別代表最低工作轉(zhuǎn)速和最高工作轉(zhuǎn)速。從圖中可以看出，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，K=6和K=19兩條激振線與各階振動(dòng)頻率均有交點(diǎn)。計(jì)算在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)交點(diǎn)的共振裕度可知，第4、5、6階葉片的固有頻率與K=19的激勵(lì)頻率交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的共振裕度小于10%（不滿足設(shè)計(jì)手冊(cè)共振裕度大于10%的要求）[11-13]，結(jié)合故障件的失效模式與各階的振動(dòng)應(yīng)力分布可知，第6階時(shí)，振動(dòng)應(yīng)力最大位置與故障件裂紋位置相同，振型及振動(dòng)應(yīng)力分布見圖8。

圖7 坎貝爾圖Fig.7 Campbell diagram

圖8 第6階振型及振動(dòng)應(yīng)力分布Fig.8 The sixth order of mode of vibration and vibration stress distribution

3 載荷譜分析

針對(duì)自由渦輪葉片試車出現(xiàn)裂紋的情況，對(duì)試車實(shí)際載荷譜進(jìn)行梳理分析。由于自由渦輪葉片斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，而不是燒蝕。因此在對(duì)載荷進(jìn)行分析時(shí)，暫不考慮熱應(yīng)力的影響。葉片載荷分析表明，試車時(shí)自由渦輪工作轉(zhuǎn)速范圍較寬，在整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均有不同程度的分布，從通過振動(dòng)特性計(jì)算得到的坎貝爾圖可知，自由渦輪葉片的固有頻率與導(dǎo)向器的激振頻率有多個(gè)交點(diǎn)，振型比較豐富，共振階數(shù)較多，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)共振轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)速之間的共振裕度較小。

4 分析與討論

金相檢查及能譜分析結(jié)果可知，葉片基體及滲層的成分正常，顯微組織正常，無過熱過燒現(xiàn)象。葉片外觀檢查可知，裂紋葉片榫齒表面嚙合痕跡分布較均勻，未見異常接觸痕跡；葉尖及型面表面均未見碰磨及擊打痕跡。葉片裂紋均勻分布于葉片排氣邊，裂紋平直，基本與排氣邊垂直，形貌相似。斷口分析可知，葉片裂紋性質(zhì)均為疲勞開裂，疲勞裂紋均起始于葉片排氣邊葉盆的表面，呈線性多源特征，源區(qū)未見冶金缺陷。裂紋擴(kuò)展前期斷面均較平坦，中、后期高低起伏較大，疲勞裂紋擴(kuò)展方向由葉盆面向葉背面及進(jìn)氣邊方向，局部位置的疲勞弧線擴(kuò)展方向存在一定的差異性，疲勞弧線之間局部位置可見寬窄交替變化的疲勞條帶，由此判斷葉片工作過程中除了承受正常的穩(wěn)態(tài)工作應(yīng)力外，還疊加有振動(dòng)應(yīng)力。

綜上所述，葉片裂紋性質(zhì)均為疲勞開裂。復(fù)查并分析本次試車載荷譜，表明本次試車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍比較寬，使得在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，自由渦輪葉片存在多階共振，激振載荷較強(qiáng)，共振裕度較小，最終導(dǎo)致葉片產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而斷裂。

5 結(jié)論

1）自由渦輪葉片斷裂性質(zhì)為疲勞開裂，疲勞裂紋均起始于葉片排氣邊葉盆的表面，呈線性多源特征。

2）由于試車載荷譜發(fā)生改變，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，葉片存在多階共振，激振載荷較強(qiáng)，共振裕度較小，最終造成葉片疲勞裂紋。