文/劉慶瑔·貴州新藝機(jī)械廠

鈦合金葉片疲勞抗力的分析研究

文/劉慶瑔·貴州新藝機(jī)械廠

航空發(fā)動機(jī)葉片的失效模式主要是高周疲勞斷裂，葉片表面完整性會直接影響葉片的疲勞抗力。表面完整性（surface integrity）是葉片加工后表面幾何和表面物理性質(zhì)的總稱。前者包括表面的粗糙度、波紋度、紋理、擦痕、幾何形狀和尺寸偏差等；后者包括表面層的微觀組織變化、塑性變形、再結(jié)晶、顯微硬度、熱損傷區(qū)、殘余應(yīng)力、晶間腐蝕等等。表面完整性是影響葉片工作質(zhì)量、壽命和可靠性的重要因素，是機(jī)械制造業(yè)，特別是航空航天制造行業(yè)的重要研究課題。

鈦合金葉片的疲勞抗力，對表面完整性特別敏感，許多表面因素，如污染、劃傷、燒傷、夾雜、偏析、組織不均勻、腐蝕等，均能誘發(fā)疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致葉片斷裂。因此，廣泛開展表面完整性對鈦合金葉片使用性能及其可靠性影響的研究，十分重要。這方面的研究已引起工程界，特別是航空企業(yè)和科研部門的普遍關(guān)注。

裝配不當(dāng)?shù)挠绊?/h2>

鈦合金葉片與其他零件裝配在一起，若配合尺寸不當(dāng)，或配合面接觸不均勻，會引起微動疲勞斷裂。例如在進(jìn)行TC9鈦合金500℃旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在接近疲勞極限的低應(yīng)力水平時(shí)，試樣在φ14mm的1∶7錐度的夾頭內(nèi)斷裂，致使疲勞試驗(yàn)失敗，不能測出500℃下的疲勞極限。經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，試樣的1∶7錐面與夾頭的錐孔配合不好，有局部接觸現(xiàn)象。在局部接觸區(qū)域擠壓應(yīng)力過大，在試驗(yàn)過程中，產(chǎn)生微動損傷，引起微動疲勞斷裂。通過提高試樣1∶7錐度處的加工精度，使其與夾頭錐孔的接觸面積達(dá)到75％以上，便避免了此類故障。

某發(fā)動機(jī)TC11鈦合金四級壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片榫頭發(fā)生斷裂事故，就是由于榫頭與榫槽配合不當(dāng)引起的微動疲勞斷裂。從配合情況可以看出，斷裂和榫槽與葉片的榫頭產(chǎn)生較大的過盈配合有關(guān)。對故障葉片的斷口及榫頭工作面進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)疲勞源起始于葉片榫頭側(cè)面的壓痕處，榫頭側(cè)表面出現(xiàn)局部摩擦燒傷及平行于斷口表面的多條二次裂紋。微觀分析發(fā)現(xiàn)，主斷裂源側(cè)表面有互相平行的顯微摩擦條痕及皮下出現(xiàn)多條微裂紋和微孔，可以看出葉片斷裂源區(qū)及其附近具有微動損傷的典型特征。因此，可以認(rèn)為葉片失效性質(zhì)屬于微動疲勞斷裂。

冶金缺陷的影響

鈦合金葉片對表面冶金缺陷十分敏感。夾雜、微裂紋及折疊等，破壞了基體金屬的連續(xù)性，會明顯降低鈦合金葉片的使用性能，其中對疲勞性能影響更為明顯?；瘜W(xué)成分偏析，雖然沒有破壞金屬的連續(xù)性，但由于局部區(qū)域的化學(xué)成分的偏析，造成該區(qū)域的α+β→β的相變點(diǎn)發(fā)生變化，葉片表面出現(xiàn)異常組織，會誘發(fā)疲勞裂紋早期萌生，降低葉片的疲勞壽命。間隙元素引起的脆性偏析，會大幅度降低葉片的疲勞壽命。組織不均勻，粗大初生α和長條α，也會降低鈦合金的疲勞壽命。

鈦合金葉片是高速轉(zhuǎn)動的零件，對亞表層的冶金缺陷十分敏感。最典型的案例是某型發(fā)動機(jī)TA11鈦合金高壓壓氣機(jī)一級轉(zhuǎn)子葉片葉身斷裂故障。斷裂原因是疲勞源存在兩處氧化物夾雜，缺陷尺寸約為0.5mm×0.2mm，兩者相距0.3mm，距葉片表面深度約30～40μm。該缺陷誘發(fā)疲勞裂紋提前萌生，導(dǎo)致葉片發(fā)生早期疲勞斷裂。

圖1 7715B鈦合金葉片斷裂外觀

在葉片振動疲勞試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)7715B鈦合金葉片有一片在葉身上因有偏析亮點(diǎn)引起葉片早期疲勞斷裂。該葉片疲勞斷裂的位置不是在一階彎曲振動的最大應(yīng)力處葉根，而是在距葉根32mm處的應(yīng)力較小的葉背上，經(jīng)腐蝕后，在50倍放大鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋起始處（疲勞源）有一個(gè)橢圓形的亮斑，如圖1中a、b所示。在疲勞源區(qū)制備金相試樣進(jìn)行高倍觀察，發(fā)現(xiàn)疲勞源區(qū)有明顯的組織偏析，偏析區(qū)組織主要是黑色的β轉(zhuǎn)組織及少量的初生α，其深度約0.13mm，其余區(qū)域?yàn)檎５慕鹣嘟M織（初生α+β轉(zhuǎn)），如圖2所示。

圖2 7715B鈦合金葉片疲勞源區(qū)的金相組織 500X“亮斑“偏析區(qū)為β偏析組織

某發(fā)動機(jī)七級壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片材料為TC11鈦合金。該葉片在生產(chǎn)過程中，葉片表面拋光時(shí)發(fā)現(xiàn)葉身出現(xiàn)縱向亮條，并輕微凸起，經(jīng)金相分析，該缺陷為間隙元素（氧、碳、氮）引起的硬偏析。

為考核硬偏析對葉片疲勞強(qiáng)度的影響，在室溫下做正常葉片與硬偏析葉片的振動疲勞壽命對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知，在相同的振幅5.8mm下，正常葉片的疲勞壽命較硬偏析的葉片高出2～3個(gè)數(shù)量級，證明硬偏析明顯地降低了葉片的疲勞強(qiáng)度。按美國宇航標(biāo)準(zhǔn)分類，硬偏析屬于Ⅰ類缺陷，是鈦合金葉片不允許出現(xiàn)的缺陷，如果發(fā)現(xiàn)葉片出現(xiàn)此類冶金缺陷，全熔煉爐批涉及的葉片，應(yīng)全部作報(bào)廢處理。

選取疲勞壽命較短（0.059×106）的硬偏析葉片作金相分析，發(fā)現(xiàn)疲勞源區(qū)的金相組織為大塊α相如圖3所示，其顯微硬度值為6382MPa，而基體為4067MPa，二者相差2261MPa，其硬度值遠(yuǎn)高于基體。大塊α相氧含量達(dá)19.97％，過高含量是形成該葉片硬偏析的主要原因。

葉片狀態(tài) 一彎振動頻率/Hz 振幅2A/mm 循環(huán)次數(shù)N×106 斷裂位置正常葉片，金相組織為初生α+β轉(zhuǎn)1096 5.8 0.699進(jìn)氣邊最大應(yīng)力位置1055 5.8 7.019 1100 5.8 0.642 1149 5.8 1.038 葉背最大應(yīng)力位置1038 5.8 10.025 未斷硬偏析葉片，金相組織為初生α，呈塊狀密集分布1103 5.8 0.159 葉背“亮條”處1074 5.8 0.091 進(jìn)氣邊“亮條”處1051 5.8 0.056 葉背“亮條”處1083 5.8 0.205 進(jìn)氣邊盆面“亮條”處1084 5.8 0.059 進(jìn)氣邊盆面“亮條”處

圖3 葉片疲勞源區(qū)金相組織

在葉片疲勞試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)7715C鈦合金葉片疲勞數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，少數(shù)葉片在低應(yīng)力水平下發(fā)生早期疲勞斷裂。在掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)疲勞源區(qū)有硼化物夾雜，如圖4所示。對疲勞源縱向剖開，制備金相試樣觀察，硼化物形貌呈白色棒狀，如圖5所示?；w的顯微硬度為4041MPa，硼化物的顯微硬度為14220MPa?？梢娕鸹锸且环N硬度很高的硬脆相，若暴露在葉片表面或亞表面，容易誘發(fā)疲勞裂紋萌生，導(dǎo)致葉片早期疲勞斷裂。經(jīng)電子衍射分析，這種硼化物的結(jié)構(gòu)式為Ti2B5或Ti3B4?；谏鲜鲈囼?yàn)結(jié)果，硼化物夾雜是7715C鈦合金的有害相，對葉片疲勞抗力產(chǎn)生不利的影響。

圖4 葉片疲勞源區(qū)硼化物形貌 500X

圖5 7715C鈦合金硼化物夾雜形貌 500X

從以上分析可以看出，鈦合金葉片對表面和亞表面層的冶金缺陷均很敏感。在交變應(yīng)力作用下，容易誘發(fā)疲勞裂紋萌生，造成早期疲勞斷裂失效。值得注意的是，葉片亞表層存在的細(xì)小冶金缺陷，目前通用的物理探傷方法和表面腐蝕檢查方法均難以發(fā)現(xiàn)。給鈦合金零部件的質(zhì)量帶來隱患。這是一項(xiàng)不容忽視的技術(shù)難題，必須采用損傷容限設(shè)計(jì)的方法，并通過先進(jìn)的熔煉技術(shù)加以解決。為了提高鈦合金零部件的冶金質(zhì)量，目前有效的措施有：

⑴冶煉鈦合金用的原材料（如海綿鈦及其他合金元素或中間合金）應(yīng)嚴(yán)格檢驗(yàn)，提高純潔度，避免氧化皮和夾雜混入。

⑵冶煉鈦合金用的原材料顆粒大小要適中，混料要均勻，應(yīng)采用多次真空自耗熔煉，以減少化學(xué)成分偏析，控制軋制溫度和變形量，確保組織均勻。

⑶開展新的無損檢測方法研究，提高探測靈敏度，將亞表層的細(xì)小缺陷有效地檢測出來。

⑷開展鈦合金藍(lán)色陽極化腐蝕工藝研究。這項(xiàng)檢查鈦合金葉片表面冶金缺陷的工藝方法在西方發(fā)達(dá)國家已獲得廣泛應(yīng)用。根據(jù)藍(lán)色陽極化腐蝕檢查結(jié)果，可將鈦合金葉片不同性質(zhì)的偏析區(qū)分開，為處理鈦合金表面偏析提供依據(jù)。

⑸引進(jìn)先進(jìn)的冶煉設(shè)備，開展新的鈦合金冶煉工藝研究，如電子束冷床熔煉工藝，進(jìn)一步提高鈦合金的冶金質(zhì)量和純潔度。

表面燒傷的影響

某型發(fā)動機(jī)TC11鈦合金第三級壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，在疲勞試驗(yàn)過程中，意外地發(fā)現(xiàn)5片葉片疲勞斷裂出現(xiàn)異常。在應(yīng)力低于葉片疲勞極限411MPa的情況下，循環(huán)次數(shù)為105時(shí)產(chǎn)生早期疲勞斷裂，詳見表2。

該葉片最大應(yīng)力點(diǎn)位于葉背距榫頭底面34mm，次大應(yīng)力點(diǎn)位于葉盆面進(jìn)氣邊距榫頭底面27mm處。由表2可知，葉片早期疲勞斷裂均不在這兩個(gè)大應(yīng)力位置，疲勞裂紋都起始于一個(gè)橢圓形呈金黃色或深藍(lán)色的金屬小熔滴處，如圖6所示。金相分析發(fā)現(xiàn)，裂紋源處的金屬小熔滴是砂輪切割葉尖時(shí)，熔化的鈦熔滴飛濺到葉片身上造成表面燒傷所致。這些燒傷點(diǎn)雖然不在葉片振動的最大應(yīng)力位置，但試驗(yàn)結(jié)果都是在燒傷缺陷處產(chǎn)生早期疲勞斷裂。說明鈦合金葉片對表面燒傷特別敏感，燒傷缺陷明顯地降低鈦合金葉片的疲勞強(qiáng)度。

表2 某型發(fā)動機(jī)TC11鈦合金葉片早期疲勞斷裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 TC11鈦合金表面熔滴燒傷形貌，箭頭指的是疲勞斷裂

圖7 TC11鈦合金葉片表面熔滴鑄造組織形貌 500X

圖8 TC11鈦合金葉片表面燒傷金相組織形貌。

對熔滴燒傷區(qū)進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)熔滴組織為典型鈦合金鑄造組織，枝晶細(xì)小，并伴有網(wǎng)狀微裂紋，如圖7所示。同時(shí)基體金屬被燒傷如圖8所示。葉片基體金屬燒傷，正常的金相組織（初生α+β轉(zhuǎn)）受到破壞，在該處疲勞強(qiáng)度急劇下降，即使在較小的應(yīng)力區(qū)也足以導(dǎo)致疲勞裂紋提前萌生、擴(kuò)展，使葉片發(fā)生早期疲勞斷裂。

殘余應(yīng)力的影響

殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響大致分為兩個(gè)方面，即對疲勞、應(yīng)力腐蝕開裂等的影響和對加工過程中或加工后產(chǎn)生的變形、尺寸超差等有害的影響。其中對疲勞強(qiáng)度的影響最為重要，特別是航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動件，如葉片、盤件等，殘余應(yīng)力是一個(gè)不可忽視的影響因素。

承受變動載荷的轉(zhuǎn)動零件，殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響是非常重要的。一般而言，受到交變應(yīng)力的構(gòu)件，其表層存在壓縮殘余應(yīng)力時(shí)，則構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度就提高；而存在拉伸殘余應(yīng)力時(shí)，其疲勞強(qiáng)度則會下降。

利用殘余壓應(yīng)力提高葉片的疲勞強(qiáng)度的方法很多。目前廣泛應(yīng)用的是噴丸強(qiáng)化、水吹砂和振動光飾，其次是滾壓光加工、表面擠壓等。

⑴噴丸強(qiáng)化對疲勞強(qiáng)度的影響。噴丸工藝是采用細(xì)小的硬質(zhì)彈丸撞擊零件金屬表面，使其表層金屬產(chǎn)生塑性變形，從而細(xì)化了表層金屬組織結(jié)構(gòu)，并形成壓縮殘余應(yīng)力。葉片表層的壓縮殘余應(yīng)力可以抵消工藝過程中產(chǎn)生的拉伸殘余應(yīng)力，提高了葉片的表面完整性。另外，還可以降低葉片上的轉(zhuǎn)角、凹槽、孔邊和棱角的應(yīng)力集中區(qū)的拉伸應(yīng)力，提高了葉片的疲勞強(qiáng)度，如航空發(fā)動機(jī)鈦合金葉片采用噴丸強(qiáng)化工藝，在其表層產(chǎn)生壓

對熔滴和基體金屬測顯微硬度，熔滴為11348MPa，基體為3663MPa，熔滴的顯微硬度是基體的3倍，這與鈦合金熔滴在空氣中與氧、氮等間隙元素形成富氧（氮）α相有關(guān)。

從以上試驗(yàn)分析可以看出，砂輪切割葉尖時(shí)產(chǎn)生的熔滴濺射物為鑄態(tài)組織，硬度特別高；同時(shí)伴隨著縮殘余應(yīng)力，明顯地提高了葉片的振動疲勞強(qiáng)度，詳見表3。

表3 噴丸強(qiáng)化對葉片疲勞強(qiáng)度的影響

⑵振動光飾的影響。振動光飾工藝是采用不同形狀和不同尺寸的磨料，在振動條件下，磨料對葉片表面進(jìn)行研磨和小能量反復(fù)撞擊，最后將葉片表面的加工刀痕和拋光溝痕去除，并產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，從而提高了葉片的表面完整性，可大幅度地改善和提高葉片的疲勞強(qiáng)度。

振動光飾產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力水平低于噴丸，但可以大大改善葉片表面的粗糙度，有利于提高疲勞強(qiáng)度。如果對噴丸表面進(jìn)行振動光飾，更有利于提高葉片的疲勞強(qiáng)度，例如，某型發(fā)動機(jī)TA11鈦合金高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片采用噴丸強(qiáng)化+振動光飾后，其疲勞強(qiáng)度明顯提高，達(dá)到554MPa。

圓角R尺寸的影響

由于結(jié)構(gòu)布局的要求，葉片上存在內(nèi)外圓角、截面過渡區(qū)和各種溝槽等都是難以避免的。但是，在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下，可以通過合理的結(jié)構(gòu)布局來降低或改善這些部位的應(yīng)力集中，以提高葉片的疲勞抗力。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定之后，鈦合金葉片的疲勞抗力取決于加工精度，特別是轉(zhuǎn)子R尺寸的精度。

總結(jié)加工工藝及其尺寸精度的影響因素，建議采取如下措施：

⑴通過試驗(yàn)選擇最佳工藝參數(shù)，納入工藝規(guī)程，并認(rèn)真貫徹執(zhí)行。

⑵鈦合金磨削、拋光用的磨料、砂輪要認(rèn)真選用，避免磨燒和拋光燒傷。

⑶在鈦合金葉片截面變化過渡區(qū)，要采用足夠大的圓角半徑，并圓滑過渡。

⑷鈦合金葉片，應(yīng)注意去掉所有的尖銳邊緣，進(jìn)行拋光倒圓。

⑸在葉片加工和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)避免表面碰、劃傷。

⑹成品葉片應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力、穩(wěn)定尺寸真空退火。

⑺在可能的情況下，進(jìn)行噴丸強(qiáng)化和振動光飾，以提高疲勞強(qiáng)度。

結(jié)束語

在航空發(fā)動機(jī)制造過程中，鈦合金在20世紀(jì)60年代末已成為制造壓氣機(jī)葉片、盤和中間機(jī)匣等零部件的基本材料。由于鈦合金密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕，有可能取代不銹鋼，使壓氣機(jī)的質(zhì)量降低30％～35％。因此，鈦合金在航空、航天、船舶等工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

鈦合金的用量與日俱增，但在使用過程中，也發(fā)生過一系列的故障。如20世紀(jì)60年代至90年代美國發(fā)生多起災(zāi)難性的事故。我國1970年后期應(yīng)用鈦合金，也相繼發(fā)生多起葉片斷裂故障。通過失效分析和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，使人們認(rèn)識到，加強(qiáng)鈦合金新材料工程應(yīng)用研究勢在必行，刻不容緩；提高鈦合金的冶煉技術(shù)，確保材質(zhì)質(zhì)量穩(wěn)定可靠迫在眉睫。

劉慶瑔，研究員，貴州新藝機(jī)械廠副總工程師、理化室主任、冶金處長。主要研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動機(jī)葉片材料及特種工藝。曾多次獲國家、中航總公司不同獎項(xiàng)，“全國有突出貢獻(xiàn)失效分析專家”。