張　博，侯學(xué)勤

（1.中航工業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)研究院，北京100028；2.北京航空材料研究院，北京100095；3.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；4.中航工業(yè)失效分析中心，北京100095）

冷卻風(fēng)扇葉片斷裂分析

張博1，侯學(xué)勤2，3，4

（1.中航工業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)研究院，北京100028；2.北京航空材料研究院，北京100095；3.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；4.中航工業(yè)失效分析中心，北京100095）

冷卻風(fēng)扇試驗(yàn)過程中葉片全部發(fā)生斷裂，對(duì)斷裂葉片進(jìn)行外觀檢查、金相組織和顯微硬度檢測(cè)，對(duì)斷口進(jìn)行宏微觀檢查、能譜分析，綜合分析葉片的斷裂性質(zhì)和原因。結(jié)果表明:冷卻風(fēng)扇葉片裂紋擴(kuò)展階段的典型特征為疲勞弧線及分布在疲勞弧線間的細(xì)密疲勞條帶，發(fā)生了高低周復(fù)合疲勞斷裂。葉片高低周復(fù)合疲勞斷裂由較大離心力疊加振動(dòng)應(yīng)力的綜合作用引起。建議優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)，提高葉片的承載能力，降低冷卻風(fēng)扇葉片振動(dòng)應(yīng)力，嚴(yán)格控制鑄造質(zhì)量，對(duì)葉片表面進(jìn)行抗疲勞性能處理。

冷卻風(fēng)扇葉片；疲勞斷裂；高低周復(fù)合疲勞；應(yīng)力

0　引言

風(fēng)扇是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其質(zhì)量及工作好壞將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率、安全性和可靠性產(chǎn)生直接影響［1-2］。風(fēng)扇葉片在工作過程中，由于轉(zhuǎn)速高、受到的載荷嚴(yán)酷和工作環(huán)境復(fù)雜，成為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和使用過程中故障率較高的零部件之一［3-5］。葉片的失效模式雖然多數(shù)為高周疲勞斷裂，但由于其服役過程中受到低循環(huán)離心力和高循環(huán)振動(dòng)力的綜合作用，一定條件下也會(huì)發(fā)生高低周復(fù)合疲勞。高低周復(fù)合疲勞對(duì)構(gòu)件壽命的危害程度大于單一的低周或高周疲勞［6-7］。對(duì)于高低周復(fù)合疲勞，由高低周載荷共同作用引起的復(fù)合損傷并非兩種載荷單獨(dú)作用時(shí)的簡單迭加，這種復(fù)合疲勞有其許多特有的規(guī)律和特征［8］。王春生等［9］的研究表明，DZ22合金在低循環(huán)載荷上疊加高循環(huán)振動(dòng)載荷使疲勞壽命下降，但是高頻振幅小于某一臨界值時(shí)，由于高頻小幅值振動(dòng)起到次負(fù)荷鍛煉作用使材料得到強(qiáng)化、且在高低循環(huán)復(fù)合疲勞過程中抑制了疲勞損傷，這時(shí)復(fù)合疲勞壽命反而會(huì)明顯增長。鄭光華等［10］對(duì)壓氣機(jī)葉片高低周復(fù)合疲勞的研究表明，高循環(huán)的頻率及高循環(huán)的幅值變化對(duì)葉片裂紋擴(kuò)展的影響十分顯著。

目前，關(guān)于高低周復(fù)合疲勞斷裂試驗(yàn)研究的報(bào)道較多，但對(duì)實(shí)際構(gòu)件的高低周復(fù)合疲勞斷裂失效的報(bào)道較少。本研究針對(duì)一起較大離心力疊加振動(dòng)應(yīng)力綜合作用引起的風(fēng)扇葉片高低周復(fù)合疲勞斷裂故障進(jìn)行分析。

冷卻風(fēng)扇試驗(yàn)過程中，9片葉片全部斷裂。冷卻風(fēng)扇工作過程中的最高轉(zhuǎn)速為5 200 r/min，受到周期性離心拉應(yīng)力、氣動(dòng)力以及振動(dòng)應(yīng)力的綜合作用。冷卻風(fēng)扇葉片材料為ZL104（按GB/T 1173—2013）鋁合金，采用砂型鑄造，變質(zhì)處理，T6熱處理（固溶處理+完全人工時(shí)效）。鑄件按照GB/T 9438—2013驗(yàn)收。

本研究對(duì)故障冷卻風(fēng)扇葉片斷口進(jìn)行宏微觀形貌和金相組織觀察，對(duì)顯微硬度進(jìn)行檢測(cè)，確定冷卻風(fēng)扇葉片的斷裂性質(zhì)，分析斷裂原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1　試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1宏微觀觀察

冷卻風(fēng)扇葉片共9片，分別編號(hào)為1#～9#；斷裂前整體外觀形貌及斷裂后在冷卻風(fēng)扇葉輪上的形貌如圖1所示。

冷卻風(fēng)扇各葉片斷裂位置基本相同，均位于葉片根部圓弧過渡處。冷卻風(fēng)扇各葉片斷口呈兩種特征:1）全部為灰色和瞬斷形貌的過載斷口，如1#、8#、9#葉片斷口，典型形貌見圖2a；2）由銀白色疲勞裂紋擴(kuò)展形貌和灰色瞬斷形貌組成的疲勞斷口，如2#～7#葉片，典型形貌見圖2b。

圖1　冷卻風(fēng)扇外觀及斷裂位置Fig.1　Appearance and fracture position of the cooling fan

圖2　葉片斷口形貌Fig.2　Fracture appearance of blades

在葉片疲勞斷口中，3#葉片的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)面積最大，呈半橢圓形，長99 mm，寬11 mm、約占斷口葉片厚度（17 mm）的2/3，脫離葉輪的斷面疲勞源一側(cè)局部有壓痕（圖3）。6#葉片的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)面積次之，呈半橢圓形，長90 mm，寬10 mm，略小于斷口葉片厚度的2/3，脫離風(fēng)扇葉輪的斷面疲勞源一側(cè)與對(duì)應(yīng)斷面即與風(fēng)扇葉輪相連的斷面的疲勞源一側(cè)的同一位置存在相互吻合的壓痕（圖4）。

3#、6#葉片斷口源區(qū)均位于葉片與葉輪表面呈銳角過渡一側(cè)的葉片表面，高差較大，多源，線源特征，源區(qū)起始的棱線明顯，6#葉片斷口源區(qū)還可見裂紋從鑄造缺陷（孔洞）位置萌生的形貌（圖5a～圖5c）。兩葉片斷口疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)存在多個(gè)疲勞弧線，疲勞弧線之間分布有細(xì)密的疲勞條帶，典型形貌見圖5d，疲勞弧線由冷卻風(fēng)扇每一次起停過程中主要是離心力構(gòu)成的應(yīng)力循環(huán)過程（低周疲勞）引起，疲勞條帶由葉片工作過程中承受高頻振動(dòng)載荷（高周疲勞）引起。瞬斷區(qū)為韌窩斷裂特征，典型形貌見圖5e。

圖3　3#葉片疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌Fig.3　Fatigue crack propagation area appearance of 3#blade

圖4　6#葉片疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌Fig.4　Fracture appearance of 6#blade

圖5　葉片斷口微觀形貌Fig.5　Micro appearance of blades fracture

1.2金相檢查

在3#、6#葉片的側(cè)斷口下方平行于斷口表面截取金相試樣，采用Keller＇s腐蝕劑（3 mL HCL+ 5 mL HNO3+2 mL HF+190 mL H2O）腐蝕后，用Olympus GX51金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察。

兩葉片金相組織相同。α（Al）初晶呈樹枝狀，枝晶間組織細(xì)小，為（α+Si）共晶體；Si呈細(xì)小點(diǎn)狀和顆粒狀；骨骼狀的為AlFeMnSi，與α固溶體形成（α+AlFeMnSi）二元共晶體（圖6）。葉片組織正常。

圖6　葉片金相組織Fig.6　Microstructure of blades

1.3硬度檢測(cè)

將3#、6#葉片的金相試樣拋光后，采用FM-700顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)定，結(jié)果見表1。布氏硬度（HB）與 顯微硬度（HV）有如下關(guān)系［11］:HB≤400時(shí)，HB≈HV；HB≥400時(shí)，HB＜HV。3#葉片的硬度為HV 98.8，6#葉片的硬度為HV 103.9，可見兩葉片的硬度滿足 GB/T 1173—2013對(duì)ZL104采用SB、T6處理的鑄件不小于HB 70的硬度要求，即葉片的硬度符合設(shè)計(jì)要求。

表1　葉片顯微硬度測(cè)定結(jié)果Table 1　Hardness testing results of the failure blade　HV0.3

2　分析與討論

2.1首斷件分析

冷卻風(fēng)扇各葉片斷裂特征的觀察結(jié)果表明:1#、8#和9#葉片斷口為過載斷口，發(fā)生了過載斷裂；2#～7#葉片斷口為疲勞斷口，發(fā)生了疲勞斷裂。同一構(gòu)件如發(fā)生既有疲勞斷裂又有過載斷裂的多處斷裂時(shí)，疲勞斷裂優(yōu)先發(fā)生于過載斷裂。因此，冷卻風(fēng)扇葉片斷裂應(yīng)由疲勞斷裂葉片開始。

在冷卻風(fēng)扇葉片各疲勞斷口中，3#葉片疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)面積最大，裂紋沿葉片厚度方向擴(kuò)展距離最長，斷裂時(shí)的有效受力面積最小。對(duì)于3#葉片斷口，脫離風(fēng)扇葉輪的斷面疲勞源一側(cè)存在壓痕而其對(duì)應(yīng)斷面即與風(fēng)扇葉輪相連的斷面的疲勞源一側(cè)不存在壓痕；這表明3#葉片脫離風(fēng)扇葉輪的斷面疲勞源壓痕是在3#葉片斷裂之后產(chǎn)生的。3#葉片疲勞裂紋擴(kuò)展后期突然出現(xiàn)少量間距明顯增大的疲勞條帶，表明該葉片在疲勞裂紋擴(kuò)展后期受到了較大應(yīng)力作用［12］。因此，3#葉片最有可能率先萌生裂紋并發(fā)生斷裂。

另一方面，對(duì)于6#葉片斷口，其脫離風(fēng)扇葉輪的斷面疲勞源一側(cè)與對(duì)應(yīng)斷面即與風(fēng)扇葉輪相連的斷面的疲勞源一側(cè)的同一位置存在相互吻合的壓痕，這表明6#葉片發(fā)生斷裂之前，其疲勞源局部受到了外來物的沖擊作用?？紤]到風(fēng)扇葉片的工作環(huán)境，該外來物只可能來自風(fēng)扇系統(tǒng)自身，而且是由具備先于6#葉片產(chǎn)生斷裂可能的部件引起。因此，引起6#葉片源區(qū)壓痕的最有可能是3#葉片斷裂后出現(xiàn)的產(chǎn)物。

以上分析表明，在冷卻風(fēng)扇各葉片中，3#葉片最先萌生裂紋，發(fā)生斷裂。

2.2斷裂性質(zhì)及過程

高低周復(fù)合疲勞斷裂的判斷需結(jié)合斷口上疲勞弧線、條帶的分布特征與斷裂過程中的載荷特征綜合判斷。高低周復(fù)合疲勞斷裂是構(gòu)件在低循環(huán)載荷與高循環(huán)載荷復(fù)合作用發(fā)生的斷裂，其斷口形貌常表現(xiàn)為疲勞弧線間分布有細(xì)密疲勞條帶的特征。

冷卻風(fēng)扇工作過程中承受較大的工作應(yīng)力（主要是離心力），它的每一次起停即為一個(gè)大的應(yīng)力循環(huán)過程（低周）。而在其運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于工作狀態(tài)復(fù)雜，使得葉片在各種因素共同作用下，不可避免地存在振動(dòng)，承受高頻振動(dòng)載荷（高周），即出現(xiàn)了在較大的低周載荷基礎(chǔ)上疊加上循環(huán)次數(shù)十分可觀且具有一定應(yīng)力幅的振動(dòng)載荷。這表明葉片斷裂過程中受到的載荷特征滿足高低復(fù)合疲勞斷裂條件。冷卻風(fēng)扇3#、6#葉片疲勞斷口上存在多個(gè)疲勞弧線，疲勞弧線之間分布有細(xì)密的疲勞條帶，為高低周復(fù)合疲勞斷裂特征。

因此，冷卻風(fēng)扇葉片的斷裂性質(zhì)為高低周復(fù)合疲勞斷裂，斷裂過程為:冷卻風(fēng)扇葉片在低周離心拉應(yīng)力及高周振動(dòng)應(yīng)力的綜合作用下，3#葉片率先在葉根部位萌生疲勞裂紋，之后2#、4#～7#葉片在葉根部位先后萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋在疲勞應(yīng)力作用下穩(wěn)定擴(kuò)展，其中3#葉片疲勞裂紋最先擴(kuò)展到葉片剩余有效承載面積不足以承受工作應(yīng)力而發(fā)生斷裂。3#葉片斷裂后，系統(tǒng)失穩(wěn)，各葉片受力增大，引起2#、4#～7#葉片疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展終止而發(fā)生瞬時(shí)斷裂，1#、8#和9#葉片發(fā)生過載斷裂。

2.3斷裂原因及應(yīng)對(duì)措施

3#、6#斷口的疲勞裂紋呈多源、線源特征，放射棱線明顯，源區(qū)高差較大，表明疲勞裂紋的萌生應(yīng)力較大。這表明冷卻風(fēng)扇葉片發(fā)生了疲勞裂紋萌生應(yīng)力較大的高低周復(fù)合疲勞斷裂，即導(dǎo)致葉片斷裂的原因是受到了較大離心力疊加一定應(yīng)力幅的振動(dòng)應(yīng)力。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，疊加在低周疲勞循環(huán)過程中的高周循環(huán)應(yīng)力會(huì)影響材料的疲勞壽命，特別是超過一定值后，會(huì)使裂紋尖端很容易達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài)，進(jìn)而明顯加速疲勞裂紋的擴(kuò)展即顯著降低材料的疲勞壽命［13-14］。

因此，為提高冷卻風(fēng)扇葉片的疲勞壽命。一方面應(yīng)降低葉片所受到的應(yīng)力水平，另一方面應(yīng)提高葉片自身的疲勞性能。首先，由于冷卻風(fēng)扇葉片的工作應(yīng)力一定，并且工作環(huán)境也無法改變，因此可從提高冷卻風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性出發(fā)，從冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小冷卻風(fēng)扇葉片受到的振動(dòng)應(yīng)力，避免出現(xiàn)高低周復(fù)合疲勞。其次，冷卻風(fēng)扇材料鑄造和熱處理方式一定，即構(gòu)件材料自身的疲勞性能一定，可通過對(duì)鑄造質(zhì)量加以控制，提高冷卻風(fēng)扇關(guān)鍵位置（葉根）的表面質(zhì)量，減少由于缺陷（如鑄造孔洞缺陷）的存在對(duì)于冷卻風(fēng)扇疲勞壽命的影響。另一方面，可通過對(duì)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行表面處理，如噴丸處理等，使得其表面形成壓應(yīng)力，從而提高抗疲勞性能。

3　結(jié)論

1）冷卻風(fēng)扇在低周離心拉應(yīng)力及高周振動(dòng)應(yīng)力的綜合作用下，3#葉片率先在葉根部位萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展，最終發(fā)生高低周復(fù)合疲勞斷裂，2#、4#～7#葉片在葉根部位先后萌生疲勞裂紋，也發(fā)生高低周復(fù)合疲勞斷裂；1#、8#和9#葉片發(fā)生過載斷裂。

2）冷卻風(fēng)扇葉片失效的根本原因在于較大離心力疊加了一定應(yīng)力幅的振動(dòng)應(yīng)力。

3）建議優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)，提高葉片的承載能力，降低冷卻風(fēng)扇葉片振動(dòng)應(yīng)力，嚴(yán)格控制鑄件質(zhì)量，對(duì)葉片表面進(jìn)行抗疲勞性能處理。

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Fracture Analysis of Cooling Fan Blade

ZHANG Bo1，HOU Xue-qin2，3，4
（1.AVIC Aviation Foundation Technology Establishment，Beijing 100028，China；2.Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China；3.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation，Beijing 100095，China；4.AVIC Failure Analysis Center，Beijing 100095，China）

All blades of a cooling fan fractured during test.The failure mode and cause were analyzed by appearance observation，metallographic examination and hardness testing of the blades，as well as macro-and-micro observation of the fracture surface. The results show that the main characters in the fatigue crack propagation stage of the blades are beach marks and fine fatigue striations distributed at the zone between beach marks.Low-and-high cycle combined fatigue occurred to the blade.High centrifugal force combined with vibration stress caused low-and-high cycle combined fatigue of the blades.At last，improvement measures were proposed:improve structure of the blades in order to increase bearing capacity，decrease vibration stress of the blades，strictly control the casting quality，and carry out surface treatment of the blades in order to improve its fatigue resistance.

cooling fan blade；fatigue fracture；low-and-high cycle combined fatigue；stress

V232.4

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.02.008

1673-6214（2016）02-0100-05

2016年1月11日

2016年3月5日

張博（1983年-），男，碩士，主要從事材料科學(xué)技術(shù)等方面的研究。