佟文偉

(中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

0 引言

風(fēng)扇是航空渦扇發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，其主要作用是壓縮發(fā)動機的工作介質(zhì)——空氣，提高其壓力。風(fēng)扇葉片是航空渦扇發(fā)動機最具代表性的重要零件［1-2］，它的質(zhì)量及工作好壞將對發(fā)動機的工作效率、安全性和可靠性產(chǎn)生直接的影響［3-4］。一旦風(fēng)扇葉片出現(xiàn)斷裂故障，其斷片隨氣流向后飛出，會打壞后面流道內(nèi)的零部件，造成極為嚴重的后果。由于工作轉(zhuǎn)速高、形體單薄，以及受載荷狀況嚴酷和工作環(huán)境復(fù)雜的影響，風(fēng)扇葉片成為發(fā)動機試驗和使用過程中故障率較高的零部件之一［5］;因此，對風(fēng)扇葉片的材料選擇、設(shè)計方法和制造技術(shù)都提出了非常高的要求。鈦合金的密度低、比強度高，具有較高熱強性、持久強度和優(yōu)異的耐腐蝕性能，對在振動載荷及沖擊載荷作用下的裂紋擴展敏感度低，在航空發(fā)動機的風(fēng)扇和壓氣機葉片、盤、機匣等零部件中都獲得了重要應(yīng)用［6-9］。隨著鈦合金在航空發(fā)動機上廣泛的應(yīng)用，鈦合金零部件的失效問題也變得日益突出，必須對導(dǎo)致鈦合金零部件失效的影響因素進行深入地分析，并采取有針對性的措施加以改進。

航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片所用材料為TC4鈦合金，主要加工工序為:模鍛→機械加工→表面噴丸。在經(jīng)歷較短時間的試車后，該葉片的葉尖部位產(chǎn)生了裂紋。本研究對風(fēng)扇葉片故障件進行外觀檢查、裂紋斷口分析、葉尖端面檢查和葉片材質(zhì)分析，明確故障風(fēng)扇葉片裂紋的屬性以及導(dǎo)致其過早產(chǎn)生裂紋故障的主要原因，并提出相應(yīng)改進建議。為避免類似故障的重復(fù)發(fā)生提供重要的技術(shù)依據(jù)。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 故障葉片外觀檢查

圖1為故障風(fēng)扇葉片局部外觀形貌。整個葉片外形完好，沒有明顯的損傷痕跡;葉片表面大部分區(qū)域為亮白色，顏色正常，僅在葉尖邊緣處有明顯的氧化變色現(xiàn)象，且葉背側(cè)的氧化變色重于葉盆側(cè)。經(jīng)熒光探傷檢查，裂紋位于葉尖邊緣的氧化變色區(qū)域內(nèi)、距葉片進氣邊約31 mm處。圖2為裂紋的宏觀放大形貌，該裂紋已貫穿葉片厚度方向，在葉盆和葉背側(cè)均清晰可見。

圖1 故障葉片外觀形貌Fig.1 Appearance of the failed blade

圖2 裂紋宏觀形貌Fig.2 Macro-appearance of the crack

1.2 斷口宏觀觀察

裂紋打開后的斷口宏觀形貌如圖3所示。斷口較平坦，局部有明顯的摩擦擠壓痕跡，沒有明顯的塑性變形，大部分區(qū)域呈灰白色，邊緣局部區(qū)域呈灰黑色。斷面可見清晰的放射棱線和疲勞弧線特征，表明裂紋斷口為疲勞斷口。由放射棱線和疲勞弧線的方向可以判定，裂紋起源于葉背與葉尖端面相交的棱角處(圖3箭頭所指)。

1.3 斷口微觀觀察

在掃描電鏡中觀察，裂紋斷口疲勞源區(qū)較平坦，放射棱線和疲勞弧線特征清晰可見(圖4);放大觀察，斷口疲勞源區(qū)可見磨損痕跡，未發(fā)現(xiàn)有明顯的冶金缺陷(圖5)。進一步放大觀察，裂紋斷口的疲勞擴展區(qū)可見大量清晰、細密的疲勞條帶，在疲勞擴展區(qū)末端才可見少量的二次裂紋(圖6)，進一步表明該裂紋斷口為高周疲勞斷口。

圖3 裂紋斷口宏觀形貌Fig.3 Macro-appearance of the fracture surface

圖4 裂紋斷口疲勞源區(qū)低倍形貌Fig.4 Low-power appearance of the fatigue source region

圖5 裂紋斷口疲勞源區(qū)高倍形貌Fig.5 High-power appearance of the fatigue source region

1.3 葉尖端面檢查

葉尖端面微觀形貌如圖7所示，可見明顯的摩擦痕跡，局部存在清晰的微裂紋。對葉尖端面進行能譜分析，結(jié)果見表1，除故障風(fēng)扇葉片基體材料(TC4鈦合金)成分外，還含有較高的Ni元素;對葉尖端面進行元素面分布掃描，結(jié)果見圖8，可見Ni元素沿著葉尖端面的摩擦痕跡分布。在葉尖處制取縱向截面試樣進行金相分析，結(jié)果見圖9，可見在葉尖端面存在摩擦產(chǎn)物。

表1 葉尖端面能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù) /%)Table 1 EDS analysis results of the blade tip(mass fraction/%)

上述檢查結(jié)果表明，在發(fā)動機工作過程中，鈦合金風(fēng)扇葉片與機匣鎳包石墨封嚴涂層發(fā)生較嚴重的摩擦，會在葉尖端面生成硬而脆的摩擦產(chǎn)物層及微裂紋。

圖6 裂紋斷口疲勞擴展區(qū)微觀形貌Fig.6 Micro-appearance of the fatigue extension region

圖7 葉尖端面微觀形貌Fig.7 Micro-appearance of the blade tip

圖8 葉尖端面元素面分布Fig.8 X-ray mapping of the blade tip

圖9 葉尖縱向截面微觀形貌Fig.9 Micro-appearance of the longitudinal section of the blade tip

1.4 化學(xué)成分分析

在故障風(fēng)扇葉片基體取樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。可以看出，故障葉片的化學(xué)成分符合技術(shù)標準。

表2 故障葉片的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù) /%)Table 2 Chemical composition of the failed blade(mass fraction/%)

1.5 硬度檢測

對故障風(fēng)扇葉片進行布氏硬度測試，結(jié)果見表3?？梢钥闯觯收巷L(fēng)扇葉片的硬度符合技術(shù)標準的要求。

表3 故障葉片硬度測量結(jié)果Table 3 Hardness testing results of the failed blade HB

1.6 金相檢驗

在故障風(fēng)扇葉片上取樣進行金相組織檢查，結(jié)果見圖10，為典型的(α +β)雙態(tài)組織［10］，未見明顯的異?，F(xiàn)象。

圖10 故障葉片顯微組織Fig.10 Microstructure of the failed blade

2 分析與討論

通過斷口宏觀分析可知，故障風(fēng)扇葉片裂紋斷口性質(zhì)為疲勞斷口，裂紋起源于葉背與葉尖端面相交的棱角處;斷口微觀觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋斷口的疲勞擴展區(qū)存在大量清晰、細密的疲勞條帶，僅在疲勞擴展區(qū)末端才可見到少量的二次裂紋，這進一步說明故障風(fēng)扇葉片裂紋斷口為高周疲勞斷口，且裂紋擴展過程中所受到的振動應(yīng)力較小。

對裂紋斷口疲勞源區(qū)背散射觀察可知，裂紋斷口疲勞源區(qū)沒有明顯的冶金缺陷。故障風(fēng)扇葉片化學(xué)成分符合技術(shù)標準的要求;金相組織為典型的(α+β)雙態(tài)組織，未見明顯異常;布氏硬度符合技術(shù)標準的要求，表明風(fēng)扇葉片過早產(chǎn)生疲勞裂紋與冶金缺陷及葉片的材質(zhì)沒有直接關(guān)系。

航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的內(nèi)表面涂覆有可磨耗封嚴涂層，在發(fā)動機工作過程中，風(fēng)扇葉片的葉尖會與封嚴涂層相互摩擦，在涂層表面形成很淺的凹槽，能夠有效減小葉尖與機匣之間的間隙，提高發(fā)動機的效率;同時，涂覆封嚴涂層也能夠避免葉片與機匣外環(huán)內(nèi)壁刮碰，起到保護葉片的作用。在選用封嚴涂層時，不僅要求涂層本身要具有較好的可磨耗性能，而且封嚴涂層與葉片之間還要具有優(yōu)良的摩擦相容性——在發(fā)動機工作過程中，封嚴涂層不能對風(fēng)扇葉片造成損傷。由故障風(fēng)扇葉片外觀檢查和葉尖端面檢查結(jié)果可知:該風(fēng)扇葉片的葉尖與機匣的鎳包石墨封嚴涂層發(fā)生了較嚴重的摩擦，不僅使葉尖附近區(qū)域產(chǎn)生了明顯的氧化變色，而且還在葉尖端面生成了摩擦產(chǎn)物層和微裂紋，對風(fēng)扇葉片造成損傷。在發(fā)動機工作時，風(fēng)扇葉片葉尖部位的線速度非常高，一旦高速旋轉(zhuǎn)的葉片與機匣封嚴涂層相摩擦，會在葉尖端面和封嚴涂層近表面的局部區(qū)域形成異常高溫區(qū)，在此摩擦高溫的作用下，鈦合金風(fēng)扇葉片的基體將會與機匣封嚴涂層中的Ni元素發(fā)生反應(yīng)，在葉尖端面生成硬而脆的摩擦產(chǎn)物層，并產(chǎn)生微裂紋，使得風(fēng)扇葉片受到損傷，這表明鎳包石墨封嚴涂層與TC4鈦合金的摩擦相容性較差。由于鈦合金具有較高的缺口敏感性，其零部件對表面損傷和缺陷非常敏感［11］，許多表面因素，如劃傷、燒傷、夾雜、腐蝕、微裂紋等，均能誘發(fā)疲勞裂紋的萌生和擴展，導(dǎo)致鈦合金零件發(fā)生早期疲勞失效;因此，風(fēng)扇葉片與機匣封嚴涂層嚴重摩擦所致的葉片氧化、葉尖端面摩擦產(chǎn)物層及微裂紋等因素會破壞風(fēng)扇葉片的表面完整性［12］，大大降低葉片基體的抗疲勞性能。

在本故障中，風(fēng)扇葉片裂紋的產(chǎn)生位置在葉背與葉尖端面的轉(zhuǎn)接處，該部位棱角較尖銳，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中［13］;同時，在發(fā)動機工作過程中，風(fēng)扇葉片將不可避免地受到振動應(yīng)力的作用。這些因素都會促進疲勞裂紋的萌生及擴展。

綜上所述，在風(fēng)扇葉片與機匣鎳包石墨封嚴涂層摩擦相容性差且發(fā)生嚴重摩擦、葉背與葉尖轉(zhuǎn)接棱角尖銳引起應(yīng)力集中以及發(fā)動機工作過程中不可避免的振動等因素的共同作用下，致使風(fēng)扇葉片過早產(chǎn)生了疲勞裂紋故障。

3 結(jié)論

1)風(fēng)扇葉片葉尖裂紋為高周疲勞裂紋，裂紋起源于葉背與葉尖端面的轉(zhuǎn)角處。

2)風(fēng)扇葉片與機匣鎳包石墨封嚴涂層摩擦相容性差，在發(fā)動機工作過程中葉片與封嚴涂層發(fā)生嚴重的摩擦，是導(dǎo)致葉片產(chǎn)生早期疲勞裂紋的主要原因;葉片葉背與葉尖轉(zhuǎn)角棱邊尖銳引起的應(yīng)力集中以及發(fā)動機工作過程中的振動會促進疲勞裂紋的萌生。

3)風(fēng)扇葉片疲勞裂紋的產(chǎn)生與冶金缺陷及葉片材質(zhì)無關(guān)。

4)選用與鈦合金葉片摩擦相容性較好的AlSi系列封嚴涂層代替鎳包石墨封嚴涂層，可有效防止發(fā)動機工作時機匣封嚴涂層對鈦合金風(fēng)扇葉片造成的損傷，進而避免在葉片的葉尖部位過早萌生疲勞裂紋。

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