韓 露 于翔天 王 影 謝國君 逄錦程

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

·測(cè)試分析·

風(fēng)機(jī)葉片斷裂原因分析

韓 露 于翔天 王 影 謝國君 逄錦程

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

文 摘 葉片在安裝試運(yùn)行過程中發(fā)生斷裂，斷裂位置位于葉根附近，通過對(duì)故障件的觀察、測(cè)試與分析，確定了葉片發(fā)生低周疲勞斷裂的原因是由于生產(chǎn)過程中工藝控制不良，葉片根部局部區(qū)域樹脂固化不完全，導(dǎo)致該區(qū)域的強(qiáng)度、剛度極低，當(dāng)受到疲勞載荷作用時(shí)在結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域首先發(fā)生分層開裂、擴(kuò)展直至最終失穩(wěn)斷裂。同時(shí)指出固化不完全的原因。

葉片，疲勞斷裂，樹脂，纖維，固化

0 引言

近20年風(fēng)電發(fā)電在國內(nèi)迅猛發(fā)展，風(fēng)機(jī)葉片作為其核心部件的使用量逐年增加，且隨著風(fēng)機(jī)單機(jī)裝機(jī)容量的增加，風(fēng)機(jī)葉片的直徑也在不斷上升，因此對(duì)材料的要求很高，不僅要具有較輕的質(zhì)量，還要具有較高的強(qiáng)度、抗腐蝕性以及耐疲勞性能，目前風(fēng)機(jī)廠商主要采用復(fù)合材料(占其質(zhì)量的90%)制造風(fēng)機(jī)葉片，但是隨著產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，葉片在生產(chǎn)及使用中陸續(xù)出現(xiàn)各種各樣的問題，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失，如何通過新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和提高材料的性能保證產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性成了大家關(guān)注的問題。本文以發(fā)生斷裂的一件復(fù)合材料葉片為例分析葉片的斷裂行為，表明葉片在生產(chǎn)過程中工藝過程控制不到位也會(huì)導(dǎo)致葉片失效，希望為葉片制造廠商及使用部門提供借鑒。

1 檢測(cè)過程與結(jié)果

某廠生產(chǎn)的葉片所用材料主要包括手糊環(huán)氧樹脂L235及其固化劑H239、無堿玻璃纖維多軸向編織布、無堿玻璃纖維無捻粗紗以及PVC泡沫。采用濕法預(yù)浸料真空輔助成型工藝制造，工藝流程如下：在預(yù)浸機(jī)上將玻璃纖維布浸上樹脂在模具上鋪層抽真空將預(yù)浸過的玻璃纖維布?jí)簩?shí)、固化后修形、鉆孔涂油漆。葉片在安裝試運(yùn)行過程中，一片葉片發(fā)生斷裂。本文通過對(duì)斷裂葉片的現(xiàn)場(chǎng)觀察、形貌分析、金相分析、DSC以及紅外光譜分析，確定了葉片斷裂的原因。

1.1 斷口宏觀觀察

葉片斷于葉根附近，斷裂位置位于距離防雨罩約20 cm的葉尖一側(cè)，裂紋源區(qū)位于迎風(fēng)面象限；源區(qū)斷面相對(duì)較平整，長度約70 cm；擴(kuò)展區(qū)均為斜斷口，斷面參差不齊，有明顯的纖維拔出現(xiàn)象，纖維束長短不一；整個(gè)斷裂區(qū)分層特征明顯，層間樹脂較疏松，可見許多白色顆粒狀的樹脂附著在纖維束表面，用手觸摸感覺樹脂松軟、有彈性，形貌見圖1。從整個(gè)殘骸斷裂形態(tài)及裂紋走向判斷葉片的斷裂過程應(yīng)為低周疲勞失穩(wěn)斷裂。

采用機(jī)械方法從葉片殘骸斷口源區(qū)及正常比對(duì)件上取樣后進(jìn)行觀察，結(jié)果如下。

失效件源區(qū)試樣大部分區(qū)域斷口較平，玻璃纖維編織布明顯分層變形，采用體視顯微鏡觀察，纖維束間及纖維表面可見較多聚集態(tài)的白色顆粒狀樹脂碎塊，纖維表面較光滑，纖維間樹脂表面類似自由表面，無明顯的斷裂形貌特征(圖2)。

將正常比對(duì)件試樣采用機(jī)械方法進(jìn)行彎折，形成層間斷口，除斷面外試樣其他位置分層現(xiàn)象不明顯，采用體視顯微鏡觀察，斷面未見聚集態(tài)的白色顆粒狀樹脂團(tuán)塊，纖維束表面較光滑，纖維間樹脂可見較明顯的變形痕跡且樹脂表面斷裂形貌特征明顯(圖3)。

1.2 斷口微觀觀察

從失效件源區(qū)部分?jǐn)嗫诩罢１葘?duì)件人工斷口上分別取樣并置于掃描電鏡進(jìn)行觀察，結(jié)果如下。

失效件斷口低倍下可見纖維束表面附著有呈聚集狀的樹脂碎塊[圖4(a)]；纖維表面光滑，絕大部分纖維表面無樹脂包覆，纖維間樹脂呈顆粒狀，纖維束間樹脂表面呈褶皺狀，放大觀察，樹脂表面形貌類似自由表面，形貌見圖4(b)～(d)；纖維斷面呈“V”型，應(yīng)為受到反復(fù)彎折所形成的疲勞斷口特征，斷面附近樹脂呈顆粒狀附著在纖維表面[圖4(e)]；

正常比對(duì)件人工斷口纖維束表面低倍下未見呈聚集狀的樹脂碎塊[圖5(a)]；放大觀察，纖維表面光滑，部分纖維表面包覆有樹脂且樹脂與纖維界面結(jié)合狀態(tài)較好，纖維間樹脂呈解理形貌并可見明顯的撕裂棱線及變形痕跡，纖維與樹脂界面結(jié)合狀態(tài)優(yōu)于失效件，典型形貌見圖5(b)～圖5(d)；纖維斷面附近樹脂表面呈解理形貌，樹脂與纖維結(jié)合較好[圖5(e)]。

1.3 金相檢驗(yàn)及硬度檢測(cè)

將失效件源區(qū)試樣及正常比對(duì)件試樣分別制備成金相試樣后進(jìn)行觀察及顯微硬度測(cè)試，結(jié)果如下。

失效件拋光面纖維束間樹脂疏松，表面較粗糙，樹脂與纖維不在同一平面；比對(duì)試樣纖維束間樹脂致密，表面平整光滑，形貌見圖6。

對(duì)失效件試樣(樹脂未固化、已固化)、正常比對(duì)件試樣、70℃/8 h灌注樣條試樣及不同固化劑含量的試樣進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試(載荷10 g，保載30 s)，結(jié)果表明：正常比對(duì)件試樣純樹脂、正常比對(duì)件試樣纖維束間樹脂、失效件樹脂已固化區(qū)域以及70℃/8 h灌注樣條試樣的顯微硬度基本一致；失效件樹脂未固化區(qū)域樹脂硬度極低，測(cè)試完成后長時(shí)間擱置壓痕位置有回彈現(xiàn)象，失效件樹脂未固化區(qū)域樹脂硬度與固化劑配比為100∶20試樣的顯微硬度近似，顯微硬度測(cè)試結(jié)果詳見表1。

比對(duì)樹脂失效件樹脂比對(duì)纖維束間樹脂失效件未固化樹脂1)70℃/8h灌注試樣固化劑配比2)(100∶20)固化劑配比(100∶22．5)14．616．615．10．2114．10．173．3

1.4 紅外光譜分析

分別對(duì)正常比對(duì)件復(fù)合材料、失效件復(fù)合材料、固化后純樹脂、L235樹脂、固化劑239、多批次混合L235樹脂以及多批次混合固化劑239(含有失效件所在批次使用的樹脂及固化劑)進(jìn)行紅外金剛石池ATR光譜分析并與紅外標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫中的圖譜進(jìn)行檢索比對(duì)，結(jié)果如下。

正常比對(duì)件復(fù)合材料及失效件復(fù)合材料均為玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，無明顯差異，光譜圖見圖7(a)。

固化后的純樹脂為環(huán)氧樹脂；L235樹脂及多批次混合L235樹脂均為未固化的環(huán)氧樹脂，無明顯差異，光譜圖見圖7(b)。

固化劑239主成分為三丙烯基乙二醇二胺；多批次混合固化劑239與固化劑239主成分一致，但是含有脂類物質(zhì)雜質(zhì)，光譜圖見圖7(c)。

1.5 DSC試驗(yàn)

對(duì)正常比對(duì)件及失效件復(fù)合材料分別作DSC試驗(yàn)(30～350℃，氮?dú)鈿夥眨郎厮俾?℃/mm)，結(jié)果表明正常比對(duì)件復(fù)合材料的固化程度優(yōu)于失效件的固化程度(圖8)。

2 分析與討論

2.1 失效模式和部位

通過對(duì)失效葉片的宏觀觀察認(rèn)為其失效模式為低周疲勞斷裂，斷裂位置位于距離防雨罩約20 cm的葉尖一側(cè)，源區(qū)位于迎風(fēng)面象限。該區(qū)域在結(jié)構(gòu)上屬于整個(gè)葉片的應(yīng)力集中部位。

2.2 原因與機(jī)理分析

失效件源區(qū)大部分區(qū)域斷口較平，玻璃纖維編織布明顯分層，纖維束間及纖維表面可見較多聚集態(tài)的白色顆粒狀樹脂碎塊，樹脂松軟、有彈性，大部分樹脂表面形貌類似自由表面，樹脂與纖維界面結(jié)合不良；纖維斷面呈“V”型，應(yīng)為受到反復(fù)彎折所致，纖維表面較光滑，絕大部分纖維表面無樹脂包覆。

比對(duì)試樣人工斷口纖維束表面未見呈碎塊狀聚集的樹脂，纖維及纖維束間樹脂呈解理形貌并可見明顯的撕裂棱線及變形痕跡，部分纖維表面有樹脂包覆，纖維與樹脂界面的結(jié)合狀態(tài)良好。

金相分析結(jié)果表明與正常比對(duì)試樣相比，失效件拋光面較粗糙，纖維束間樹脂疏松；顯微硬度測(cè)試表明正常比對(duì)試樣純樹脂、正常比對(duì)試樣纖維束間樹脂以及失效件純樹脂區(qū)域的顯微硬度基本一致，而失效件未固化樹脂硬度極低，測(cè)試完成后長時(shí)間擱置時(shí)失效件壓痕位置有回彈現(xiàn)象。 DSC測(cè)試結(jié)果表明正常比對(duì)件復(fù)合材料的固化程度優(yōu)于失效件復(fù)合材料的。

綜合上述形貌特征及測(cè)試結(jié)果表明失效件葉根附近區(qū)域樹脂固化不完全，樹脂與纖維結(jié)合不良，造成葉片根部變截面區(qū)域的強(qiáng)度、剛度極低，因此不足以承受外部疲勞載荷作用；且纖維束間固化不完全的樹脂無法將載荷有效的傳遞給臨近的纖維束，導(dǎo)致葉根變截面處結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域的復(fù)合材料局部承受疲勞載荷作用發(fā)生分層開裂、擴(kuò)展直至斷裂。

2.3 樹脂未完全固化原因分析

紅外光譜分析結(jié)果表明正常比對(duì)件復(fù)合材料及失效件復(fù)合材料均為玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料；含有失效件批次所用樹脂的混合L235樹脂與純L235樹脂無明顯差異；因此可以基本排除環(huán)氧樹脂異常導(dǎo)致固化不完全的可能。

含有失效件批次所用固化劑的混合固化劑239與純239固化劑相比含有脂類物質(zhì)雜質(zhì)，因此失效件所用固化劑組分異常的可能性不能排除。

70℃/8 h灌注樣條試樣與正常比對(duì)試樣純樹脂硬度基本一致，失效件纖維束間樹脂與環(huán)氧樹脂/固化劑配比為100∶20試樣纖維束間樹脂的顯微硬度相近，因此固化劑配比不當(dāng)或固化劑有效含量不足導(dǎo)致固化不完全的可能性不能排除。

結(jié)合上述測(cè)試結(jié)果分析認(rèn)為，失效件源區(qū)樹脂固化不完全可能與該區(qū)域固化劑配比、固化劑有效含量不足或體系中含有阻聚劑(例如脂類物質(zhì)雜質(zhì)或水)有關(guān)。委托方后續(xù)在工藝自查過程中，發(fā)現(xiàn)故障件生產(chǎn)中使用的固化劑中混有過期的固化劑。

3 結(jié)論

(1)葉片失效模式為低周疲勞斷裂，裂紋源區(qū)位于迎風(fēng)面葉根附近變截面區(qū)。

(2)發(fā)生疲勞斷裂的直接原因是葉片在生產(chǎn)過程中工藝控制不當(dāng)所致：葉片根部局部區(qū)域樹脂固化不完全，導(dǎo)致該區(qū)域的強(qiáng)度、剛度極低，不足以承受外部疲勞載荷作用，且纖維束間固化不完全的樹脂無法將載荷有效的傳遞給臨近的纖維束，因此當(dāng)受到疲勞載荷作用時(shí)在結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域首先發(fā)生分層開裂、擴(kuò)展直至最終失穩(wěn)斷裂。

(3)樹脂固化不完全可能與固化劑配比、固化劑有效含量不足或體系中含有阻聚劑(例如脂類物質(zhì)雜質(zhì)或水)有關(guān)。

[1] 陶春虎，劉高遠(yuǎn),等. 軍工產(chǎn)品失效分析技術(shù)手冊(cè)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[2]《中國航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì). 中國航空材料手冊(cè)(第1卷)[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

Fracture Reason Analysis of Wind Turbine Blade

HAN Lu YU Xiangtian WANG Ying XIE Guojun PANG Jincheng

(Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technonlogy,Beijing 100076)

The blade in the installation of test failed in the operating process,fault location is located in the root of blade.Through observation,testing and analysis of fault component,the reason blade produced by low cycle fatigue fracture is identified due to improper control of production process.The blade root curing is incomplete in local area,which causes the strength and stiffness of very low. Fiber beam between curing not completely of resin cannot will load effective of passed to near of fiber beam, so dang by fatigue load role in structure stress concentrated regional first occurred layered cracking, and extended until eventually lost stability fracture.The direction for improvement is pointed out.

Blade，F(xiàn)atigue fracture，Resin，F(xiàn)iber，Curing

2015-10-12；

2016-08-25

韓露，1968年出生，研究員，主要從事機(jī)械產(chǎn)品失效分析。E-mail：hanlu5111@sina.com

TG178

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.01.014