徐 銳，李 鴻，張宗林，馬 昆，李 巍，吳 萍

(1.中國人民解放軍駐黎陽機械公司軍事代表室，貴州平壩561102;2.中航工業(yè)貴州黎陽航空動力有限公司，貴州平壩561102)

0 引言

鈦合金是當代先進飛機和航空發(fā)動機的重要結(jié)構(gòu)材料之一，要有效提高航空發(fā)動機和火箭的推重比，必須使用高比強度耐熱鈦合金［1］。目前先進發(fā)動機壓氣機盤、葉片和風扇葉片以及機匣等，均采用鈦合金制造，這類鈦合金用量大且均為關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)件，其失效具有典型性，往往會造成災(zāi)難性事故［2］。使用溫度超過400℃以上的鈦合金為高溫鈦合金［3］。選用先進的高溫鈦合金并保證其在發(fā)動機上長時間使用的安全可靠性是研制新型高性能航空燃氣渦輪發(fā)動機的重要前提。TC25(俄牌號ВТ25)鈦合金是20世紀70年代初前蘇聯(lián)研制的一種變形馬氏體型α+β兩相熱強鈦合金，屬Ti-Al-Zr-Sn-Mo-W-Si系，其名義成分為:Ti-6.8Al-1.7Zr-2Sn-2Mo-0.7W-0.2 和少量Si元素。TC25鈦合金是在Ti-Al基體上添加適量β穩(wěn)定元素制成的鈦合金，兼有 TC11(俄牌號BT9)合金的高熱強性和TC8(俄牌號BT8)合金的熱穩(wěn)定性。TC25鈦合金中含有Mo、W等高熔點的元素，熱強性、耐熱性很好，采用雙重退火制度時具有較高的綜合性能，使用壽命可達3000 h，是繼TC11鈦合金之后用量最大的高溫鈦合金之一，適合用來制造500～550℃工作溫度下長時間使用的航空發(fā)動機零件［3-7］。

某型渦扇發(fā)動機TC25鈦合金制四級壓氣機盤在進行壓氣機轉(zhuǎn)子低循環(huán)性能考核試驗時出現(xiàn)轉(zhuǎn)子振動過大，試驗被迫停止。分解檢查試驗用發(fā)動機高壓壓氣機轉(zhuǎn)子，發(fā)現(xiàn)四級壓氣機盤輻板周向嚴重開裂，有約50%長度的裂紋穿透壓氣機盤輻板。設(shè)計和制造質(zhì)量復查表明，用壓氣機盤的技術(shù)狀態(tài)參數(shù)符合要求。筆者主要圍繞材料性能、組織、化學成份和盤件斷口進行失效分析。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 斷口宏觀觀察

試驗過程中高壓一級壓氣機轉(zhuǎn)子在下、九級轉(zhuǎn)子在上，試驗用的整個壓氣機轉(zhuǎn)子除了位于轉(zhuǎn)子中部的四級壓氣機盤出現(xiàn)破裂外，其他各級壓氣機盤均未發(fā)現(xiàn)破裂現(xiàn)象。斷裂的四級壓氣機盤輪緣的一面與五級盤焊接結(jié)合，另一面通過上下隔環(huán)與三級壓氣機盤連接。四級壓氣機盤開裂位置在下隔環(huán)與輻板連接的R槽附(圖1)。對破裂的四級壓氣機盤進行X光檢測，未發(fā)現(xiàn)高密度夾雜等缺陷。對高壓壓氣機組件上的五、六級盤也進行X光檢測，未發(fā)現(xiàn)異常。對四級壓氣機盤進行著色檢查，發(fā)現(xiàn)輪盤表面沿圓周方向存在大量犬牙形裂紋，在靠三級盤一側(cè)周向穿透裂紋長度超過裂紋所在圓周周長的一半，另一半圓周上也斷續(xù)地分布著多條未穿透裂紋;與穿透裂紋不在同一圓周上(位于穿透裂紋內(nèi)側(cè)的圓周上)呈徑向分布著部分微裂紋(圖2)。對五、六級壓氣機盤進行著色檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。

圖1 壓氣機盤開裂位置Fig.1 Crack position

圖2 壓氣機盤著色痕跡顯示Fig.2 Coloring trace display of 4th compressor disk

在相同圓周上的完全斷裂位置和未完全斷裂位置分別取一段試樣進行斷口觀察，完全斷裂位置的斷口宏觀形貌如圖3所示，從斷口顏色及裂紋擴展情形分析，整個四級壓氣機盤周向裂紋都是從靠三級壓氣機盤一側(cè)的盤面上開裂，并向五級盤方向擴展。宏觀判斷斷口大致分為2部分，一部分顏色呈褐色，斷面靠三級盤方向且基本垂直于盤面，形狀為弓形;另一部分顏色呈灰色，斷面靠五級盤方向且與盤面約呈45°夾角。人為對未完全斷裂試樣打開斷口觀察，斷口分為褐色區(qū)和灰色區(qū)(圖4)。從斷口的顏色可以判定裂紋也是從靠三級盤方向的盤面上開裂，并向五級盤方向擴展。

圖3 斷口外觀Fig.3 Appearance of fracture surface

1.2 斷口微觀觀察

在掃描電鏡下觀察完全斷裂斷口，斷口可分為2部分，一部分為疲勞區(qū)，對應(yīng)宏觀斷口上的褐色區(qū)域;另一部分為瞬斷區(qū)，微觀形貌為韌窩特征，對應(yīng)原始斷口的灰色區(qū)域。發(fā)動機四級壓氣機盤沿圓周方向的斷口呈多源疲勞特征，疲勞區(qū)面積約占整個斷面的30%。疲勞源從三級盤方向萌生，向五級盤方向擴展，疲勞斷口垂直于四級壓氣機盤表面。原始斷口上的灰色區(qū)域為瞬斷區(qū)，斷面相對平滑，但與盤表面有約45°的夾角。斷口特征見圖5～圖9。在掃描電鏡下觀察人為打開斷口，其形貌特征與完全斷裂斷口基本一致。對斷口源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)進行能譜分析結(jié)果表明，源區(qū)及擴展區(qū)ω(O)≈14%，有氧化現(xiàn)象;瞬斷區(qū)ω(O)≈1%，基本無氧化。

圖4 斷口外觀(裂紋打開)Fig.4 Appearance of fracture surface artificially opened along crack

圖5 斷口低倍宏觀形貌Fig.5 Low-power feature on fracture surface

圖6 斷口源區(qū)微觀特征Fig.6 Microscopic feature of the source region

1.3 化學成分分析

在斷口附近取1塊試樣進行化學成分分析，滿足技術(shù)條件要求，結(jié)果見表1。

1.4 力學性能測試

在失效的四級壓氣機盤上取樣，參照表2技術(shù)要求分別進行室溫、360℃和500℃下的斷裂強度、延伸率和斷面收縮率測試，結(jié)果見表3。

圖7 斷口擴展區(qū)疲勞條帶特征Fig.7 Microscopic fatigue feature of the propagation zone

圖8 斷口瞬斷區(qū)韌窩特征Fig.8 Dimples at the final rupture zone

圖9 人為打開斷口微觀特征Fig.9 Microscopic feature of the artificially opened zone

表1 化學分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù) /%)Table 1 Results of chemical constituents analysis(mass fraction/%)

表2 技術(shù)條件Table 2 Technical requirements

表3 力學性能檢測結(jié)果Table 3 Test results of mechanical properties

1.5 金相檢驗

TC25鈦合金的典型組織類型與一般的α+β兩相鈦合金類似，主要為魏氏組織、等軸組織、雙態(tài)組織和網(wǎng)籃組織4種［5］。對出現(xiàn)失效的發(fā)動機四級壓氣機盤進行解剖，按照技術(shù)文件對其破裂起始面進行了腐蝕檢查，為網(wǎng)籃組織，組織合格;另對其輪緣、輻板、輪轂等多處位置進行了組織檢查，組織均合格，見圖10。從表面及縱深2個面上的裂紋走向情況來看，裂紋擴展與材料的組織無直接關(guān)系，見圖11和圖12。

2 分析與討論

2.1 失效性質(zhì)

對失效的發(fā)動機四級壓氣機盤進行X光檢測，沒有發(fā)現(xiàn)異常，排除了壓氣機盤零件內(nèi)部存在高密度夾雜等缺陷的可能性，斷口上亦未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷;化學成分分析結(jié)果表明該零件化學成分正常，符合技術(shù)條件要求;金相檢查結(jié)果表明該零件組織正常;力學性能試驗發(fā)現(xiàn)，失效件在室溫及500℃的斷裂強度均略低于技術(shù)條件要求，延伸率及斷面收縮率均合格，造成斷裂強度略低的原因可能和零件的最終熱處理狀態(tài)與該材料的標準熱處理制度不同有關(guān):該型發(fā)動機四級壓氣機盤最終熱處理為900℃真空退火，原材料TC25的標準熱處理狀態(tài)為雙重退火［4］(溫度分別為950～970℃和530～570℃)。

圖10 輻板位置高倍組織形貌Fig.10 Microstructure morphology of the web plate

圖11 裂紋縱深走向Fig.11 The crack trend in depth and microstructure

圖12 裂紋表面走向Fig.12 The crack trend on surface and microstructure

發(fā)動機四級壓氣機盤開裂部位和斷面上的微裂紋基本處于下隔環(huán)與輻板連接的R槽附近的同一圓周上。斷口顏色、裂紋走向及斷面特征顯示，裂紋從靠三級盤方向的盤面上開裂，向著五級盤方向擴展。盤面上龜裂現(xiàn)象及斷口上高低起伏不平、不連續(xù)的疲勞區(qū)表明斷口呈多源疲勞特征。發(fā)動機壓氣機盤是發(fā)生低周疲勞損壞的主要航空鈦合金零部件［2］，且發(fā)動機四級壓氣機盤失效斷口具有典型的低周疲勞斷口特征［7］，即具有多個疲勞源點，源區(qū)間的放射狀棱線多而且臺階的高差大;瞬斷區(qū)的面積所占比例大，遠大于疲勞裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)面積;疲勞弧線間距大，穩(wěn)定擴展區(qū)的棱線粗且短;與高周疲勞斷口相比，整個斷口高低不平，因此，發(fā)動機四級壓氣機盤的失效性質(zhì)為低周疲勞斷裂。

2.2 失效原因

為了減輕航空發(fā)動機的重量，無論壓氣機盤或渦輪盤都做得很薄，容易引起振動。在發(fā)動機壓氣機轉(zhuǎn)子低循環(huán)性能考核試驗過程中，由于轉(zhuǎn)子自身及試驗轉(zhuǎn)接段振動應(yīng)力、離心力等復雜應(yīng)力狀態(tài)的共同作用出現(xiàn)非正常的振動，高頻振動應(yīng)力疊加上正常工作應(yīng)力產(chǎn)生節(jié)圓振動［9-10］。盤上質(zhì)點的振幅由中心到邊緣逐漸增大，在同一半徑的圓環(huán)上各質(zhì)點具有相同的振幅，在靠三級盤一側(cè)的四級壓氣機盤面的同一圓周上同時形成多處疲勞源，并向五級盤方向疲勞擴展。壓氣機盤為彈性體零件，隨試驗過程中振動頻率增大，出現(xiàn)了容易引起輪盤斷裂失效的節(jié)徑振動，表現(xiàn)為節(jié)徑線相對于盤產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的行波振動［10］，在盤面穿透裂紋內(nèi)側(cè)圓周上出現(xiàn)沿徑向分布的大量微裂紋。以節(jié)圓振動為主節(jié)徑振動為輔的復合振動在盤上的長時間作用，最終導致發(fā)動機四級盤破裂。

2.3 改進措施

在導致壓氣機盤破裂的振動型式中，節(jié)圓振動起主導作用。節(jié)圓振動的應(yīng)力相對較低，但疊加上正常工作應(yīng)力后往往導致輪盤的低周疲勞斷裂。由于失效大都是非包容性的，最終破壞時盤緣易甩出，危險性較大，后果十分嚴重［9］，必須制定措施實施改進。相同狀態(tài)的壓氣機轉(zhuǎn)子裝配在發(fā)動機上的整機臺架試驗表明:四級壓氣機盤結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足戰(zhàn)技指標要求，加工制造質(zhì)量符合要求，發(fā)動級四級壓氣機盤在試驗中破裂主要原因是試件在試驗器上的懸臂固定導致轉(zhuǎn)接段振動過大，應(yīng)從試驗器轉(zhuǎn)接段結(jié)構(gòu)設(shè)計入手改善轉(zhuǎn)子性能考核試驗中盤件的振動特性，防止出現(xiàn)節(jié)圓振動。考慮到壓氣機盤為發(fā)動機的關(guān)鍵零部件，為確保其使用的安全可靠性，建議在輪盤設(shè)計中改善關(guān)鍵部位裂紋的可檢測性，嚴格控制輪盤熱加工工藝;生產(chǎn)制造過程中嚴格控制加工制造質(zhì)量，減少因加工帶來的損傷;對輪盤下隔環(huán)與輻板連接的R槽等關(guān)鍵部位盡量采取噴丸強化措施，提高表面疲勞抗力。

3 結(jié)論

1)發(fā)動機四級壓氣機盤失效性質(zhì)為低周疲勞斷裂;

2)四級壓氣機盤產(chǎn)生低周疲勞斷裂的原因為在發(fā)動機轉(zhuǎn)子低循環(huán)性能考核試驗過程中，由于振動應(yīng)力、離心力等復雜應(yīng)力狀態(tài)的共同作用產(chǎn)生以節(jié)圓振動為主，節(jié)徑振動為輔的復合振動。

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