航空發(fā)動機壓氣機轉子葉片開裂原因分析*

劉明坤 劉國良 韓振宇 佟文偉 吳才廣

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所；2.西安航空發(fā)動機有限公司技術中心）

0 引言

壓氣機是航空發(fā)動機結構中的關鍵組件之一，其主要作用是對流經的空氣進行壓縮，提高空氣的壓力，為燃氣膨脹做功創(chuàng)造條件，改善發(fā)動機的適航經濟性，提高推力[1]。壓氣機轉子葉片由于數量多、形體單薄、轉速高，以及載荷、工況復雜，使其成為使用中故障率較高的零部件之一，對發(fā)動機的安全造成嚴重影響[2]。轉子葉片最常見的失效模式為疲勞，引起葉片疲勞失效的原因多種多樣，主要包括共振、腐蝕、材質缺陷、微動損傷、葉尖碰磨等[3-5]。國內外學者對共振、微動損傷、葉尖碰磨等原因導致的失效模式研究較多[6-10]，隨著冶煉和制造工藝的提高，材質缺陷引起的故障模式研究報導較少。

某發(fā)動機壓氣機使用12h45min后分解檢查發(fā)現(xiàn)壓氣機1 個轉子葉片在排氣邊出現(xiàn)裂紋。裂紋穿透葉片厚度方向。葉片材料為GH4169，通過精鍛成型。葉片設計和制造工藝已經過長時間的使用驗證，正常情況葉片工作中受到的振動應力很小，短時間內不會出現(xiàn)裂紋的問題。而本次葉片裂紋出現(xiàn)的時間短，位置異常，因此需要研究裂紋性質和開裂原因，定位異常因素，避免類似故障的再次發(fā)生。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

故障葉片裂紋部位宏觀形貌見圖1，裂紋距緣板約11mm，基本垂直于葉片排氣邊，沿葉身弦向由排氣邊向進氣邊擴展。裂紋在葉身厚度方向裂透，葉盆側擴展長度約為7mm，葉背擴展側長度約為5mm。

圖1 裂紋部位宏觀形貌Fig.1 Macroscopic appearance of crack location

1.2 斷口形貌

斷口宏觀形貌見圖2，斷面呈V型，分為三部分，中心區(qū)、葉背側區(qū)、葉盆側區(qū)（見圖2），中心區(qū)面積較大，葉盆和葉背側區(qū)域面積較小。

圖2 斷口低倍形貌Fig.2 Low morphologies of fracture

斷口中心區(qū)存在多條沿葉片弦向的灰色條紋，呈木紋狀特征，如圖3（a）所示。灰色條紋內為顆粒物形貌，如圖3（b），灰色條紋間為斷面特征，可見韌窩形貌，3（c）所示。葉背側和葉盆側斷口均為疲勞（見圖4），裂紋起源于中心木紋狀區(qū)域，呈多源特征，擴展區(qū)可見疲勞條帶形貌（見圖5）。

圖3 斷口中心區(qū)微觀形貌Fig.3 Microscopic morphology of fracture center

圖4 葉盆側和葉背側斷口微觀形貌Fig.4 Micro morphology of fracture surface on basin side and back side of blade

圖5 斷口擴展區(qū)疲勞條帶Fig.5 Fatigue striations of extension region

1.3 顯微組織

垂直斷口取截面試樣進行組織觀察，中心木紋狀區(qū)域約占整個斷口截面的55%，葉盆側和葉背側疲勞區(qū)面積相當，如圖6 中標注所示。掃描電鏡下觀察，斷口附近裂紋部位存在呈帶狀分布的黑色顆粒物，裂紋沿帶狀顆粒物擴展（見圖7）。表明帶狀顆粒物部位強度偏弱，易于裂紋的萌生和擴展。

圖6 斷口截面低倍形貌Fig.6 Low morphology of fracture cross section

圖7 黑色顆粒物形貌Fig.7 Morphology of black particulates

1.4 成分分析

對斷口灰色條紋內顆粒物和顯微組織中的顆粒物分別進行能譜分析，結果見表1。顆粒物成分相近，含有大量的O元素，同時Al，Ti元素明顯偏高，黑色顆粒物應為Al，Ti元素的氧化物。

表1 顆粒物化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of particles(mass fraction)

1.5 鍛造模擬試驗

黑色顆粒物產生有兩方面的可能，一是原材料中所攜帶，二是鍛造工藝中引入。鍛造中最可能引入外物的為折疊缺陷，因此為了確定葉片中黑色顆粒物是否為折疊缺陷引入，人為制造出折疊缺陷，并對其進行分析。將折疊打開，斷面平坦，無明顯斷裂特征，表面氧化嚴重，潤滑劑附著在斷口表面（圖9中所示）。折疊起始于表面，開口較大，與表面呈一定的角度，腐蝕后觀察，折疊兩側組織不匹配，晶粒差異大（圖10 所示）。這些特征均與故障葉片裂紋形貌及斷口特征不同。

圖9 折疊斷口形貌Fig.9 Morphology of folding fracture

圖10 折疊金相組織Fig.10 Metallographic structure of folding defects

1.6 鍛造和原材料工藝復查

采用DEFORM 軟件，從棒料到葉片的鍛造過程進行了全流程模擬仿真[11]，模擬效果見圖11，各階段變形區(qū)域穩(wěn)態(tài)流動，未出現(xiàn)開裂、折疊等鍛造缺陷，飛邊分布均勻，鍛件充填良好。根據裂紋在葉片出現(xiàn)的位置，對模擬結果進行了點追蹤分析，確定缺陷在原材料狀態(tài)時位于棒料R/2位置附近。

圖11 鍛造工藝過程模擬效果圖Fig.11 Simulation effect diagram of forging process

原材料制備工藝復查：原料準備→配料→真空感應爐熔煉→澆注Φ430mm 電極→電極車光→化學分析→真空自耗爐重熔→鑄錠剝皮→鑄錠均勻化處理→鍛造開坯（Φ170mm）→坯料表面磨光→超聲波檢查→坯料均勻化處理→軋機開坯（45方）→坯料清理表面→軋機成材（Φ24mm）→棒材表面磨光至Φ22mm→超聲波檢查→高、低倍和力學性能檢查→光譜檢查→外觀和標識檢查→包裝入庫。復查原始工藝記錄發(fā)現(xiàn)鍛造開坯（Φ170mm）后，超聲波檢查料頭和料尾雜波超標，切除料頭后未進行復探，直接扎制存在頭尾缺陷未切凈的風險。Φ22mm 棒材探傷時，由于采用的是雙晶探頭接觸法探傷，兩晶片并行排列間距約29mm。因此，由于探頭晶片結構的限制，棒材端頭存在長度約20mm的超聲波檢測盲區(qū)（如圖12所示），原有缺陷可能被漏檢。

圖12 超聲檢測時棒材端頭檢測盲區(qū)示意圖Fig.12 Schematic diagram of steel bar ends dead zone during ultrasonic testing

2 分析與討論

檢查與分析結果表明，高壓壓氣機轉子葉片開裂性質為疲勞。疲勞起源于內部缺陷，由內部向葉盆、葉背表面擴展。內部缺陷整體形貌呈木紋狀[12-14]，由多條沿弦向的灰色條紋組成，灰色條紋中含有大量黑色顆粒物，條紋間為撕裂斷面特征。木紋狀缺陷區(qū)域位于葉片內部，在葉片表面未見明顯的開口，屬于內部缺陷。由鍛造工藝反向仿真分析可知，缺陷位于棒材徑向R/2位置附近，進一步說明缺陷為一種內部缺陷。

高壓壓氣機轉子葉片鍛造的主要變形工序為擠桿→鐓頭→預鍛→終鍛，為精密鍛造工藝。從工藝流程來看，易形成葉身缺陷的工序應為擠桿、預鍛、終鍛。擠桿過程可能形成鍛造折疊缺陷，該類缺陷在葉片表面有明顯開口，斷面較平，無明顯斷口特征；組織上，折疊兩側組織不匹配，晶粒差異大[15]。而本文中的缺陷為內部缺陷，在葉片葉身表面未開口，斷面呈木紋狀，灰色條紋夾在斷面之間，斷面形貌呈韌窩特征，斷口附近晶粒均勻，組織正常。由以上比較分析可知，裂紋件斷口內部缺陷與鍛造折疊明顯不同，排除鍛造折疊的可能性。預鍛和終鍛階段可能形成鍛造裂紋，裂紋應從外表面向內部開裂，表現(xiàn)為葉片表面裂紋尺寸寬，內部裂紋尺寸窄，與故障葉片木紋狀形態(tài)不相符，排除鍛造裂紋的可能性。綜上，葉片內部缺陷可能來源于原材料冶煉階段。

內部缺陷灰色條紋中存在O，Al，Ti 元素含量相對較高的氧化物顆粒，所含元素均為GH4169合金本身含有的合金元素如Al，Ti。復查原材料冶煉工藝可知，原材料采用的雙真空冶煉，冶煉過程不會引入爐渣，因此排除氧化夾渣[16]的可能性。GH4169合金在真空感應爐熔煉過程有意添加鋁和鈦元素，由于精煉后期金屬熔池仍殘余約20ppm 氧含量，因此不可避免會與鋁、鈦等易氧化元素發(fā)生反應生成氧化物。在正常熔煉階段，當工藝參數穩(wěn)定時，金屬熔池的液體流動方向是由中心底部上升，然后沿液面徑向360°流向熔池邊緣[17]。但在起弧階段或充填階段，由于工藝定參數的調整和變化，會產生洛倫茲力，導致金屬熔池液體流向與正常熔煉過程相反，由熔池邊緣沿液面徑向聚集到中心，并流向熔池中心底部，然后沿熔池弧形底線平行遷移。這種情況下，熔池液面上漂浮的夾雜物可能被卷入熔池中心底部，來不及遷移到邊緣就凝固在鑄錠中。且在超聲波檢測時，棒材端部存在雜波，切除料頭后未進行復探，存在切除不凈的風險。在扎制和葉片鍛造過程中，氧化物夾雜變形碎化，形成條帶狀分布的氧化物夾雜。氧化物夾雜形成的帶狀區(qū)域破壞了基體合金的連續(xù)性，而且塑性偏低[18]，而GH4169 合金塑性較好，在變形和受力的情況下氧化物夾雜區(qū)域極易發(fā)生開裂，形成裂紋源。同時，高壓壓氣機轉子葉片尾緣厚度較薄，由于缺陷的存在使葉片的有效承載面積降低較大，等效靜應力水平大幅度提高，導致缺陷位置首先萌生裂紋，在彎曲振動應力作用下向葉片表面擴展。

3 結論

1）故障高壓壓氣機轉子葉片裂紋性質為疲勞，疲勞起源于內部缺陷，由內部缺陷擴展至葉盆、葉背表面。

2）內部缺陷的存在嚴重降低了葉片的塑性和強度，減小了葉片有效承載面積，導致葉片在離心應力和彎曲應力作用下開裂；內部缺陷性質為冶煉過程中原材料端頭切除不凈而殘留的氧化物夾雜。

3）建議加強棒材頭尾切除及探傷復測工藝過程的控制，增加切除探傷盲區(qū)要求；用水浸探傷代替接觸法探傷，消除探傷盲區(qū)。