宋國明

(海軍裝備部，西安710021)

0 引言

鈦合金是重要的航空、航天結(jié)構(gòu)材料。由于鈦合金導(dǎo)熱性差、摩擦系數(shù)大、抗摩擦性較差，對微動損傷極為敏感［1-6］，據(jù)估計(jì)航空結(jié)構(gòu)破壞中涉及微動損傷的比例高達(dá)90%［3，6］。微動損傷機(jī)理較為復(fù)雜，涉及黏著、腐蝕、疲勞及磨粒磨損多種機(jī)制，雖然進(jìn)行了較為廣泛的研究，然而微動損傷機(jī)理及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，也沒有一個(gè)統(tǒng)一的能在設(shè)計(jì)階段預(yù)防的有效辦法，使得微動損傷問題受到工程界普遍關(guān)注。普遍認(rèn)為對微動損傷起主要作用的參數(shù)有:1)接觸面相對滑動幅值和頻率;2)接觸面應(yīng)力大小、方向和變化;3)匹配材料和接觸面狀態(tài);4)接觸面溫度及環(huán)境［3，6-7］。

某型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行近1000 h之后，發(fā)生2片低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片脫榫斷裂和同級9片葉片榫頭裂紋故障，多級葉片被打傷。斷裂和裂紋轉(zhuǎn)子葉片材料為(α+β)型鈦合金，系模鍛、機(jī)械加工成型葉片，與其配合壓氣盤也為同類鈦合金，采用燕尾形安裝結(jié)構(gòu)。

通過對斷裂和裂紋葉片外觀觀察、斷口分析、化學(xué)成分分析、硬度檢測和金相檢驗(yàn)等手段，確認(rèn)葉片斷裂和裂紋的性質(zhì)，分析葉片早期斷裂原因，以期探尋改進(jìn)預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

對斷裂、裂紋葉片及與葉片配合的壓氣機(jī)盤榫頭進(jìn)行宏觀觀察，2片葉片由榫槽部位橫向斷裂，斷裂位置相同，榫齒工作面有氧化色及較重的摩擦痕跡(圖1、圖2)。同級9片葉片在相同位置出現(xiàn)裂紋，裂紋均位于葉背一側(cè)，部分葉片裂紋已延伸至進(jìn)氣邊，裂紋長度約15～45 mm不等;這些葉片的榫齒工作面及榫頭頂面均存在較重的摩擦痕跡，摩擦損傷區(qū)域各異，程度不同，部分葉片葉背一側(cè)榫齒工作面幾乎完全擦傷，在裂紋開口較大部位摩擦溝痕尤深;榫頭頂面摩擦損傷痕跡分布于葉盆和葉背兩側(cè)1～2 mm范圍，葉背側(cè)擦痕較重(圖3、圖4)。與葉片相配合的壓氣機(jī)盤榫齒工作面也有明顯的摩擦損傷痕跡。擦傷部位呈現(xiàn)基體金屬光澤，表現(xiàn)為不均勻的摩擦溝痕、金屬磨屑、基體金屬剝落和材料的相互轉(zhuǎn)移、金屬涂抹及微小粗糙的撕脫痕跡。

1.2 葉片斷口分析

1.2.1 斷裂葉片分析

2片葉片由榫槽部位橫向斷裂，斷裂位置和宏觀形貌相似，斷口平齊，無明顯塑性變形，斷口顏色為暗灰色，源區(qū)略深，未見腐蝕或異物覆蓋，斷口可見清晰疲勞弧線收斂于葉背一側(cè)表面(圖5、圖6)，表面有較重摩擦痕跡，應(yīng)屬疲勞斷裂。

圖1 葉片斷裂位置Fig.1 Fracture position of the blade

圖2 葉片斷裂位置Fig.2 Fracture position of the blade

圖3 葉背側(cè)榫齒工作面形貌Fig.3 The working face micrograph of tenon tooth at the blade back

用FEI公司生產(chǎn)Quanta400掃描電子顯微鏡對2片葉片斷口進(jìn)行了微觀觀察。葉片A斷口表現(xiàn)為多源起始特征，主源位于葉背一側(cè)，短線源(圖7)，源區(qū)未見材料冶金缺陷，源區(qū)附近榫齒工作面有摩擦損傷痕跡，并可見平行于斷口的小裂紋，在葉盆一側(cè)有多個(gè)次源。裂紋由葉背一側(cè)主源向兩側(cè)及葉盆方向擴(kuò)展，可見細(xì)密的疲勞條帶，裂紋擴(kuò)展到一定程度后，葉盆一側(cè)次源處起裂擴(kuò)展，2個(gè)裂紋交匯后，葉片發(fā)生斷裂，瞬斷區(qū)位于葉盆側(cè)，面積約占斷口總面積的1/8，瞬斷區(qū)為韌窩特征。葉片B斷口與葉片A相似，起源于葉背一側(cè)，短線源，源區(qū)氧化較重，附近榫齒工作面有摩擦損傷，向葉盆方向擴(kuò)展，葉盆一側(cè)瞬斷區(qū)約占斷口總面積的1/4。

1.2.2 裂紋葉片分析

圖4 葉盆側(cè)榫齒工作面形貌Fig.4 The working face micrograph of tenon tooth at the blade basin

圖5 葉片A斷口全貌Fig.5 Macrograph of fracture A

圖6 葉片B斷口全貌Fig.6 Macrograph of fracture B

圖7 葉片斷口主源區(qū)形貌Fig.7 Macrograph of main fatigue source region

選取裂紋較長的2片葉片進(jìn)行裂紋斷口分析，其斷口均起源于葉背一側(cè)，線源，源區(qū)未見材料和冶金缺陷，源區(qū)顏色較深，斷口形貌及擴(kuò)展方式與葉片A、B斷口相似。裂紋起源的榫齒工作面有明顯摩擦痕跡，摩擦微裂紋及磨屑和金屬剝落特征，并可見到多條平行于裂紋斷口面的微小裂紋(圖 8、圖9)。

由此看來2片斷裂葉片和9片裂紋葉片其斷裂性質(zhì)相同，均屬于疲勞開裂。其斷裂模式相同，起源位置相似，源區(qū)附近的榫齒工作面均存在較重的摩擦痕跡和微小裂紋，而且裂紋均由榫齒工作面磨損部位萌生。

圖8 平行于斷口面的摩擦痕跡Fig.8 Friction trace parallel to the fracture

圖9 榫齒工作面摩擦微裂紋Fig.9 Friction cracks on the working face of tenon tooth

1.3 材質(zhì)分析

在榫頭部位取樣進(jìn)行化學(xué)成分、組織和硬度檢測。結(jié)果表明:化學(xué)成分符合技術(shù)要求;顯微組織均勻，為(α+β)兩相組織，初生α相為等軸狀，尺寸細(xì)小，屬正常組織(圖10);布氏硬度為3.24 HB，符合硬度要求3.2 ～3.7 HB。

2 分析與討論

斷裂、裂紋葉片斷口分析表明，所有斷裂、裂紋葉片失效模式相同，均屬于疲勞開裂，裂紋起源于榫齒工作面摩擦損傷部位。

圖10 榫頭顯微組織Fig.10 Microstructure of tenon

轉(zhuǎn)子葉片工作時(shí)主要受到離心應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和振動應(yīng)力，從斷裂葉片斷口疲勞擴(kuò)展充分，瞬斷區(qū)較小等特征判斷，葉片在疲勞擴(kuò)展至斷裂階段應(yīng)力水平較小;因此，葉片疲勞開裂主要是離心應(yīng)力疊加了振動應(yīng)力作用的結(jié)果，葉片的斷裂模式應(yīng)屬振動疲勞斷裂，為高周疲勞擴(kuò)展特征。

葉片材質(zhì)分析結(jié)果表明，其化學(xué)成分、顯微組織和硬度均符合技術(shù)要求，斷口源區(qū)也未見材料冶金缺陷，據(jù)此可排除材質(zhì)因素導(dǎo)致葉片早期疲勞斷裂的可能。從斷裂源區(qū)氧化色較重，源區(qū)附近榫齒工作面摩擦損傷痕跡和微小裂紋來看，葉片早期疲勞斷裂與榫齒工作面的摩擦損傷有密切關(guān)系。

榫齒工作面的這種摩擦損傷表現(xiàn)為不均勻的摩擦痕跡、微裂紋、金屬磨屑、基體金屬剝落和材料的相互轉(zhuǎn)移，并在裂紋源區(qū)附近的摩擦損傷區(qū)見到多條平行于主裂紋的微裂紋及垂直于摩擦痕跡的微裂紋。這些微裂紋和摩擦痕跡表明:葉片和盤榫齒配合面存在微小幅度的相對滑動，涉及黏著、腐蝕、疲勞及磨粒磨損多種機(jī)制，屬于榫齒工作面微動磨損［6，8-9］。

由于鈦合金摩擦系數(shù)大，對微動損傷極為敏感，極易引起葉片和榫齒配合表面微動損傷［1-6，8］。無論盤和葉片何種配合形式，配合面之間總留有少量間隙，以補(bǔ)償高溫產(chǎn)生的膨脹，工作中由于氣流擾動或振動使得二者之間出現(xiàn)小幅度相對滑動，形成微動磨損。接觸面的應(yīng)力狀態(tài)大小和分布、微動頻率、位移幅值、表面粗糙度及材料表面摩擦系數(shù)是影響微動摩擦行為的主要因素［8-10］。榫齒工作面不均勻的摩擦損傷痕跡表明:盤和葉片榫齒接觸狀態(tài)不佳和配合不良是其微動磨損的主要原因。

從盤和葉片榫齒接觸狀態(tài)以及尺寸復(fù)查等調(diào)查結(jié)果看，尺寸均在加工公差范圍內(nèi)，因此，配合不良重要是由于盤和葉片均采用同類型鈦合金，配合面間無防磨損涂層，由于微小間隙的必然存在，使其高溫下表面氧化，微動接觸區(qū)由于摩擦產(chǎn)生高應(yīng)變和大變形，形成微動磨損斑，表面形成磨屑，在高溫下，進(jìn)一步形成TiO2磨粒，加速磨粒磨損，進(jìn)而促進(jìn)微動磨損裂紋的萌生，磨粒楔入微裂紋，加速裂紋擴(kuò)展［5］。

綜上可見，盤、片接觸不均，配合不良造成榫齒受力不均，并引起微動磨損，是該級葉片早期振動疲勞斷裂的主要原因。

采用配合面涂覆干膜潤滑劑，有效降低了磨損量和摩擦系數(shù)，使得微動磨損引起葉片振動疲勞斷裂問題得到有效預(yù)防。另外，在配合面鍍銀、沉積Ag/Ni金屬膜、等離子噴涂Co/WC涂層和噴丸等表面改性技術(shù)能有效提高微動磨損抗力。

3 結(jié)論

1)低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片斷裂和裂紋失效模式均屬振動疲勞斷裂，盤片配合不良引起微動磨損是該級葉片早期振動疲勞斷裂的主要原因;

2)在盤和葉片榫齒配合面鍍銀、涂干膜潤滑、沉積Ag/Ni金屬膜、等離子噴涂Co/WC涂層和噴丸能夠有效預(yù)防榫齒配合面微動磨損。

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