張貴斌，楊 俊，郭兵校，杜龍梅

(1.空軍西安局某軍代表室，西安 710021;2.空軍西安軍代表局，西安 710021;3.西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司，西安 710021）

0 引言

壓氣機(jī)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要部件，它接受渦輪輸出的功對(duì)流過(guò)的空氣連續(xù)做功，從而提高空氣壓力;而轉(zhuǎn)子葉片是壓氣機(jī)對(duì)氣體做功的最重要零件，一旦失效，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行與使用造成嚴(yán)重影響［1-2］，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的故障進(jìn)行深入研究，分析其失效模式及機(jī)理，可以從根本上預(yù)防此類(lèi)故障的發(fā)生［3-6］。

某機(jī)大加力起飛，飛機(jī)拉起后振動(dòng)大，發(fā)動(dòng)機(jī)聲音異常，收油門(mén)至高壓轉(zhuǎn)速(NH)=90%，右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)超溫?zé)袅粒瑴u輪后溫度T6最高達(dá)795℃，收油門(mén)至慢車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)正常，立即返航。地面檢查該機(jī)右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)噴口掛鋁，檢查低壓二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片排氣邊呈鋸齒狀，二級(jí)靜子葉片及以后葉片打傷嚴(yán)重;發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查，發(fā)現(xiàn)1片低壓三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片從銷(xiāo)釘孔處斷裂。通過(guò)對(duì)三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片銷(xiāo)釘孔斷口宏、微觀(guān)特征進(jìn)行分析，對(duì)葉片加工質(zhì)量、工藝、尺寸進(jìn)行復(fù)查，并在葉片振動(dòng)計(jì)算和測(cè)頻試驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，確定葉片的失效模式和失效原因。

1 失效件宏觀(guān)分析

1.1 失效件宏觀(guān)形貌

通過(guò)目視檢查，發(fā)現(xiàn)1片低壓三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片(材料為鋁合金LD7-1)從銷(xiāo)釘孔處斷裂，低壓壓氣機(jī)二至五級(jí)轉(zhuǎn)、靜子葉片打傷嚴(yán)重(圖1、圖2)。高壓壓氣機(jī)打傷較為嚴(yán)重，高壓渦輪一級(jí)導(dǎo)向器掛鋁，未見(jiàn)明顯打傷。經(jīng)調(diào)查以往故障情況，本次低壓三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片斷裂故障在國(guó)內(nèi)屬首次發(fā)生。

圖1 低壓轉(zhuǎn)子葉片打傷情況Fig.1 Damage of low-pressure rotor blade

圖2 低壓靜子葉片打傷情況Fig.2 Damage of low-pressure stator blade

1.2 硬度檢測(cè)

任選2件與故障件同批次葉片，在葉片銷(xiāo)釘孔端面測(cè)試布氏硬度，結(jié)果分別為129 HB和128 HB，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的硬度要求(125～150 HB)。

2 失效件冶金分析

對(duì)斷裂葉片銷(xiāo)釘孔和同級(jí)損傷葉片進(jìn)行微觀(guān)檢查以及材質(zhì)金相組織檢查，并進(jìn)行分析，結(jié)果如下:

1)斷裂葉片銷(xiāo)孔內(nèi)表面在緊貼進(jìn)氣邊端面存在寬約0.86 mm、周長(zhǎng)15 mm的小臺(tái)階，占圓周約32%(總周長(zhǎng)為47.2 mm)，見(jiàn)圖3～圖4，造成襯套與葉片榫頭銷(xiāo)孔內(nèi)壁沿軸向接觸不均勻，臺(tái)階附近的區(qū)域未接觸，靠近排氣邊端面?zhèn)饶p痕跡較寬且相對(duì)嚴(yán)重。臺(tái)階形成于葉片工作之前。其余送檢的2件同級(jí)損傷葉片的榫頭銷(xiāo)孔內(nèi)壁痕跡基本相似。

圖3 斷裂葉片銷(xiāo)釘孔宏觀(guān)形貌Fig.3 Macro morphology of the fracture blade pin hole

圖4 葉片銷(xiāo)釘孔凸臺(tái)示意圖Fig.4 Boss of blade pin hole

2)故障件斷口分析表明，葉背側(cè)斷口主源區(qū)位于排氣邊側(cè)端面與銷(xiāo)孔壁尖角處，源區(qū)存在斷裂后形成的輕微人為擦傷，未見(jiàn)腐蝕特征，未見(jiàn)機(jī)械加工損傷痕跡(圖5)。次源區(qū)位于進(jìn)氣邊側(cè)，未見(jiàn)腐蝕特征、機(jī)械加工損傷痕跡，未見(jiàn)夾雜等冶金缺陷。裂紋擴(kuò)展區(qū)存在疲勞條帶(圖6)，擴(kuò)展方向?yàn)榕艢膺呄蜻M(jìn)氣邊側(cè)擴(kuò)展。瞬斷區(qū)位于主疲勞區(qū)和次疲勞區(qū)之間，為等軸韌窩特征。

3)故障葉片榫頭處為萌生于排氣邊側(cè)端面與靠近壁最薄部位銷(xiāo)釘孔交角處的裂紋的高周疲勞斷裂;故障葉片銷(xiāo)釘孔內(nèi)的受力點(diǎn)偏向葉背和排氣邊一側(cè)是造成葉片榫頭萌生疲勞裂紋最終斷裂的主要原因。

圖5 葉背側(cè)斷口宏觀(guān)形貌Fig.5 Macro morphology of blade back fracture

圖6 裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶Fig.6 Fatigue striation of the crack propagation region

3 應(yīng)力分析

結(jié)合冶金分析和尺寸復(fù)測(cè)，分別對(duì)低壓三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片正常情況和葉片襯套孔處存在小臺(tái)階2種情況進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算。建立簡(jiǎn)化的銷(xiāo)釘有限元模型，與裝襯套的葉片進(jìn)行有限元接觸計(jì)算，見(jiàn)圖7。在8750 r/min轉(zhuǎn)速下，葉片線(xiàn)彈性接觸應(yīng)力計(jì)算，葉片與襯套之間過(guò)盈量為0.07 mm，考慮葉片與襯套裝配時(shí)應(yīng)力。邊界條件:葉片與襯套表面接觸，襯套與銷(xiāo)釘表面接觸，銷(xiāo)釘兩端加全向位移約束，對(duì)模型加轉(zhuǎn)速載荷916.298 rad/s(8 750 r/min)，約束葉片在軸向上的位移。

3.1 正常情況下葉片的應(yīng)力計(jì)算

在8750 r/min轉(zhuǎn)速下，葉片最大應(yīng)力出現(xiàn)在銷(xiāo)釘孔下緣，主要受壓應(yīng)力，其破壞性不強(qiáng)。在銷(xiāo)釘孔側(cè)壁徑向拉伸應(yīng)力的破壞作用最大，該處的最大徑向拉伸應(yīng)力為200 MPa，最大等效應(yīng)力為257 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)在葉片排氣邊葉背一側(cè)，與疲勞源區(qū)位置一致，如圖8所示。最大等效應(yīng)力小于材料極限拉伸強(qiáng)度的80%(334 MPa)，滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則［4］。

圖7 葉片、銷(xiāo)釘與襯套的有限元接觸模型Fig.7 Contact model of blade dowel and bush

圖8 工作狀態(tài)下葉根排氣邊等效應(yīng)力Fig.8 Exhaust edge equivalence stress of blade root at working condition

由有限元計(jì)算得到葉片在8 750 r/min轉(zhuǎn)速下的最大離心力為25.291 kN。葉片銷(xiāo)釘孔處的最小截面面積約為249 mm2。葉片銷(xiāo)孔處的名義拉應(yīng)力為101.6 MPa。名義拉應(yīng)力小于材料極限拉伸強(qiáng)度的25%，滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則［4］。

3.2 有臺(tái)階情況下葉片內(nèi)孔的應(yīng)力計(jì)算

在8750 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，葉片最大應(yīng)力出現(xiàn)在銷(xiāo)釘孔進(jìn)氣邊下緣，最大應(yīng)力為945.5 MPa，較正常狀態(tài)高3倍多(圖9)。葉片銷(xiāo)釘孔排氣邊下緣也是一個(gè)高應(yīng)力點(diǎn)，在銷(xiāo)釘孔排氣邊側(cè)壁處的最大等效應(yīng)力為 354.6 MPa，較正常狀態(tài)提高37.9%?？梢?jiàn)凸臺(tái)導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻，使銷(xiāo)釘孔局部應(yīng)力顯著提高。由于葉片銷(xiāo)釘孔的型面已經(jīng)因葉片斷裂發(fā)生了變形，不能準(zhǔn)確計(jì)算出葉片產(chǎn)生疲勞破壞之初的受力狀態(tài);但可推測(cè)，由于凸臺(tái)的存在，葉片最初主要是靠銷(xiāo)釘孔的兩端承受葉片自身的離心力，銷(xiāo)孔側(cè)壁的進(jìn)、排氣邊都承受很高的徑向應(yīng)力，使銷(xiāo)孔側(cè)壁產(chǎn)生初始裂紋。

圖9 進(jìn)氣邊在凸起狀態(tài)下葉根等效應(yīng)力Fig.9 Leading edge equivalence stress of the blade root with a bush

3.3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)論

從異常狀態(tài)下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中可以看出，工作狀態(tài)下，由于葉片銷(xiāo)釘孔底部存在凸起，導(dǎo)致應(yīng)力分布不均。葉片排氣邊銷(xiāo)釘孔側(cè)壁的最大等效應(yīng)力提高到了354.6 MPa，比正常狀態(tài)下提高了37.9%，大于抗拉強(qiáng)度的80%(334 MPa)，不能滿(mǎn)足 EGD-3［7］的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

4 振動(dòng)分析

4.1 葉片動(dòng)頻計(jì)算

葉片在8750、7000、4000、2000 r/min 轉(zhuǎn)速下的前5階頻率如表1所示。

表1 葉片動(dòng)頻Table 1 Blade dynamic frequency

4.2 計(jì)算結(jié)果分析及結(jié)論

從圖10坎貝爾圖可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的2倍頻作為激振頻率與葉片的一階振動(dòng)頻率接近，在轉(zhuǎn)速接近4 600 r/min時(shí)，葉片的激振頻率與一階頻率重合，易引發(fā)共振;在轉(zhuǎn)速接近5 800 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的3倍頻作為激振頻率與葉片的二階振動(dòng)頻率重合，易引發(fā)二階共振;而在轉(zhuǎn)速接近4000 r/min時(shí)，葉片的二階振動(dòng)頻率又與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的4倍頻一致，易引發(fā)二階共振。

正常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)不會(huì)引起低壓三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片連接銷(xiāo)孔處斷裂。低壓三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片連接銷(xiāo)釘處受力異常時(shí)在二階振型模式下可能導(dǎo)致高周疲勞破壞。

圖10 葉片前五階坎貝爾圖Fig.10 First five orders of blade compell diagram

5 葉片斷裂原因分析

綜合以上冶金分析，應(yīng)力計(jì)算和零件復(fù)查等結(jié)論，造成低壓三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片斷裂的原因?yàn)?斷裂葉片內(nèi)孔表面緊貼進(jìn)氣邊端面存在臺(tái)階，造成襯套與內(nèi)孔接觸不均勻或沿軸向局部未接觸，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由于離心力的作用，葉片內(nèi)孔最大受力點(diǎn)即葉片排氣邊內(nèi)孔壁最薄處和臺(tái)階處應(yīng)力升高;隨著工作狀態(tài)和工作時(shí)間的變化，最大受力點(diǎn)處應(yīng)力繼續(xù)升高，直至超過(guò)材料的疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致葉片疲勞開(kāi)裂，發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作，葉片與襯套之間的緊度逐漸變小直至消失，襯套與葉片產(chǎn)生周向運(yùn)動(dòng)，伴隨有摩擦痕跡，葉片受力點(diǎn)偏移，致使葉片進(jìn)氣邊臺(tái)階處應(yīng)力增大，最終導(dǎo)致葉片在連接銷(xiāo)釘處斷裂。

經(jīng)工藝試驗(yàn)對(duì)葉片孔內(nèi)產(chǎn)生凸臺(tái)的現(xiàn)象進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，具體做法是在葉片的銷(xiāo)釘孔處墊一根硬度較高的金屬棒，擊打金屬棒端面，然后將葉片從銷(xiāo)釘孔處用線(xiàn)切割的方法切斷，取出襯套。試驗(yàn)結(jié)果為，打擊后葉片端面銅套與葉片相接處有明顯傷痕。理化分析(在40倍的電鏡下觀(guān)察)發(fā)現(xiàn)擊打后使銷(xiāo)釘孔內(nèi)有輕微的突起變形(目視突起量最大約為0.03～0.05 mm)。由試驗(yàn)結(jié)果分析確定，葉片孔內(nèi)產(chǎn)生臺(tái)階的主要原因?yàn)槿~片裝襯套后锪孔時(shí)受到不明外力撞擊所致。

6 改進(jìn)措施

為了避免類(lèi)似故障的發(fā)生，建議采取如下措施:

1)在工藝規(guī)程增加按QAS8933檢驗(yàn)，要求葉片上沒(méi)有碰、壓、劃傷等缺陷;

2)在工藝規(guī)程增加檢驗(yàn)葉片與配套配合，過(guò)盈量應(yīng)為0.063 ～0.076 mm;

3)葉片加工車(chē)間和裝配車(chē)間的工藝流程中增加檢驗(yàn)項(xiàng)目:目視檢查低壓二、三、四級(jí)轉(zhuǎn)子葉銷(xiāo)孔的兩端面。

7 結(jié)論

1)低壓三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片連接銷(xiāo)孔處斷裂為高周疲勞斷裂，裂紋萌生于葉片內(nèi)孔最大受力點(diǎn)位置，即排氣邊側(cè)端面與靠近壁最薄部位銷(xiāo)釘孔交角處。

2)葉片內(nèi)孔進(jìn)氣邊側(cè)靠近端面處存在的臺(tái)階，導(dǎo)致振動(dòng)異常，使葉片內(nèi)孔在工作狀態(tài)下最大受力點(diǎn)處的應(yīng)力升高，在工作載荷與振動(dòng)載荷共同作用下致使葉片產(chǎn)生疲勞斷裂。

3)導(dǎo)致葉片孔產(chǎn)生臺(tái)階的主要原因?yàn)槿~片裝襯套后锪孔時(shí)受到不明外力的撞擊。

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