（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司設(shè)計研發(fā)中心，上海 201108）

商用大涵道比鈦合金空心風(fēng)扇葉片尺寸大，展弦比小，具有大扭角、復(fù)合彎掠的設(shè)計特征[1-3]，內(nèi)部空心瓦倫結(jié)構(gòu)通常采用擴散焊接/超塑成型等特種工藝[4-7]。為實現(xiàn)空心葉片的成型，一般通過在超塑成形環(huán)節(jié)高溫環(huán)境下沖入高壓氣體的方法來實現(xiàn)，通氣孔通常選擇在葉尖型面上，具體位置則基于充氣的易于實現(xiàn)性來考慮。在葉片塑性成形環(huán)節(jié)完成后，為避免葉片裝機工作狀態(tài)下外物等進入葉片空心區(qū)域內(nèi)，需要將進氣道的通氣孔焊接，從而使葉片空心區(qū)域形成一個封閉獨立的腔室。焊接安排在何環(huán)節(jié)、采用何種封焊工藝等是進氣道封焊必須考慮的因素。

鑒于空心風(fēng)扇葉片在工作中所受離心力大，顫振和振動問題需高度關(guān)注[8-11]，結(jié)合某空心風(fēng)扇葉片的進氣道高循環(huán)疲勞異常失效現(xiàn)象，本文通過試驗和振動仿真計算、斷口分析等工作，以確定失效機理，并通過分析和驗證明確了失效根源和控制措施，給出了葉尖進氣道封焊的可行解決措施。

1 試驗過程及失效描述

某TC4空心風(fēng)扇葉片振動疲勞試驗?zāi)繕搜h(huán)數(shù)為1×107，試驗考核振型為一階彎曲振型，試驗設(shè)備為希爾8T電磁振動臺，試驗裝置如圖1所示。

圖1中空心風(fēng)扇葉片試驗件通過圓弧形榫連結(jié)構(gòu)與夾具相裝配，夾具底部用螺栓固定，并通過螺栓施加預(yù)緊力載荷，實現(xiàn)葉片試驗件與夾塊的裝配；葉片與夾具組合件通過螺栓安裝在轉(zhuǎn)接段的夾槽內(nèi)，整個試驗裝置與振動臺的緊固通過連接螺栓實現(xiàn)。

按照葉盆進氣邊、葉盆排氣邊、葉背中間進行貼片以尋找最大應(yīng)力點，應(yīng)變片貼片位置如圖2 所示，最大標定應(yīng)力為Sc，振動應(yīng)力分布如圖3所示，最大應(yīng)力點位于葉盆進氣邊距榫底55mm處的實心區(qū)域（應(yīng)變測點號為32#）。

按照共振駐留法對試驗件開展振動疲勞試驗，試驗中1#試驗件發(fā)生異常失效，在葉尖型面的進氣道位置出現(xiàn)裂紋，且裂紋沿垂直于葉尖型面的方向分別向葉片盆側(cè)和背側(cè)擴展，如圖4所示，試驗循環(huán)數(shù)為0.45×107次。

結(jié)合圖4的振動應(yīng)力分布，可以明確失效位置非該葉片理論危險位置，為判明失效原因，結(jié)合試驗時振動應(yīng)力測量值進行分析。試驗過程中，在葉尖進氣道位置和最大應(yīng)力位置均布置了應(yīng)變片，其中葉尖進氣道應(yīng)力監(jiān)測點為51#，最大應(yīng)力位置監(jiān)測點為32#。在32#測點振動應(yīng)力為480MPa時，監(jiān)測獲取51#測點振動應(yīng)力為2.1MPa，由此初步判斷51#測點區(qū)域應(yīng)力水平遠遠小于試驗件的最大振動應(yīng)力，在該區(qū)域出現(xiàn)疲勞失效是非預(yù)期現(xiàn)象，有必要對其開展詳細的失效分析工作。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Figure of test facility

圖2 應(yīng)力分布貼片示意圖Fig.2 Locations of stain gauges

圖3 一彎振型下振動應(yīng)變分布示意圖Fig.3 Distribution of vibratory strain of first bending mode

圖4 1#試驗件裂紋示意圖Fig.4 Designation of crack on 1# test specimen

2 仿真及斷口分析

針對該鈦合金空心風(fēng)扇葉片理論模型進行了振動分析和模擬試驗狀態(tài)下的諧響應(yīng)分析。葉片一階彎曲振型下固有頻率為60Hz，振型如圖5所示。

為了計算試驗時空心風(fēng)扇葉片的振動應(yīng)力分布，僅模擬由振動臺激勵引起的振動應(yīng)力的作用，對其進行了諧響應(yīng)分析，分析工況及載荷模擬試驗狀態(tài)施加。計算結(jié)果如圖6所示，區(qū)域a應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，且最大振動應(yīng)力為475MPa，出現(xiàn)在葉盆側(cè)葉根前緣位置，因此該區(qū)域為葉片理論危險位置，與振動應(yīng)力分布測試的32#應(yīng)變測點位置相符。

1#試驗件失效位置如圖6所示，該區(qū)域最大應(yīng)力小于10MPa，理論模型在該區(qū)域的應(yīng)力分布如圖7～9所示。在葉尖截面背側(cè)最大振動應(yīng)力小于3MPa，在葉尖截面盆側(cè)最大振動應(yīng)力小于6MPa，在葉尖截面中部的振動應(yīng)力小于2MPa，自葉尖往葉根沿葉高27mm的葉身區(qū)域內(nèi)的最大振動應(yīng)力小于10MPa。葉片裂紋萌生區(qū)域的振動應(yīng)力仿真分析結(jié)果表明：葉尖及葉尖附近區(qū)域的振動應(yīng)力遠小于葉根的最大振動應(yīng)力（475MPa），該區(qū)域最大應(yīng)力僅為葉片最大振動應(yīng)力的2%，不足以產(chǎn)生疲勞失效。因此該失效可判斷為非設(shè)計因素導(dǎo)致的異常失效，需開展相應(yīng)的斷口分析來判明失效原因。

圖5 一階彎曲振型Fig.5 The first bending mode shape

圖6 風(fēng)扇葉片一彎振型下振動應(yīng)力云圖Fig.6 Vibration stress contour diagram of the fan blade under the 1st bending mode

圖7 1#試驗件葉尖背側(cè)振動應(yīng)力分布Fig.7 Vibration stress distribution of the blade tip at suction side of 1# test specimen

圖8 1#試驗件葉尖盆側(cè)振動應(yīng)力分布Fig.8 Vibration stress distribution of the blade tip atpressure side of 1# test specimen

圖9 1#試驗件葉尖截面中部振動應(yīng)力分布Fig.9 Middle part vibration stress distribution of the blade tip of 1# test specimen

基于仿真分析結(jié)果，為確定1#空心風(fēng)扇葉片試驗件的失效模式及原因，對其進行了斷口分析和金相檢查。

1#試驗件斷口全貌見圖10，根據(jù)斷口上疲勞弧線和放射棱線特征判斷，疲勞裂紋起始于葉尖進氣道的通氣孔焊接封閉部位，并從焊接部位起始，分別在葉盆和葉背上沿著葉片軸線方向擴展，葉盆側(cè)疲勞裂紋后期向垂直軸線方向發(fā)展。

斷裂源區(qū)放射棱線較粗大，如圖11、12所示，可見通氣孔焊接部位與葉盆、葉背側(cè)距離相差較大，明顯偏向其中一側(cè)。這表明葉尖進氣道封焊時兩側(cè)變形不均勻，可能存在較大的熱應(yīng)力集中效應(yīng)。

圖10 1#試驗件裂紋外觀形貌圖Fig.10 Crack of 1# test specimen

圖11 1#試驗件葉片斷口全貌Fig.11 Micrograph of fracture on 1# test specimen

圖12 1#試驗件斷裂源區(qū)Fig.12 Fracture source area of 1# test specimen

1#試驗件斷裂源區(qū)微觀形貌如圖13所示，為焊接枝晶組織過載開裂形貌。疲勞擴展區(qū)微觀形貌如圖14所示，為較粗大的疲勞條帶特征，可判斷其為疲勞失效。

3 失效機理分析

根據(jù)斷口分析結(jié)果可知1#試驗件裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋，起源于葉尖進氣道的通氣孔焊接封閉部位。且靠近葉尖部位約23.2mm范圍內(nèi)，通氣孔對應(yīng)的芯板上有明顯摩擦痕跡，其余部位無摩擦痕跡，如圖15所示為試驗件局部封焊斷口形貌圖。

圖13 1#試驗件斷裂源區(qū)微觀形貌Fig.13 Micrograph characteristics of the fracture source of 1# test specimen

圖14 1#試驗件疲勞條帶特征Fig.14 Fatigue characteristics on fracture micrograph of 1# test specimen

圖15 1#試驗件局部封焊斷口形貌圖Fig.15 Crack of local welding part of 1# test specimen

1#試驗件疲勞裂紋萌生于通氣孔焊接部位，在法線與葉片軸向平行的截面上發(fā)現(xiàn)“點狀”焊接特征并且焊接長度較短，引起應(yīng)力集中；光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)通氣孔對應(yīng)的芯板上靠近葉尖部位有長約23.2mm的擠壓摩擦痕跡；金相及SEM觀察表明源區(qū)為焊接組織過載開裂特征。分析認為：焊接深度不足并且局部點狀焊接引起應(yīng)力集中，通氣孔對應(yīng)的芯板之間發(fā)生異常接觸導(dǎo)致局部應(yīng)力增加，綜合以上因素，結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)過載開裂是該葉片產(chǎn)生疲勞裂紋的原因。

結(jié)合葉片振動仿真分析結(jié)果來看，對于空心風(fēng)扇葉片理論模型，一彎振型下正常的疲勞裂紋應(yīng)位于葉片前緣根部等大應(yīng)力集中位置，葉尖位置處的最大應(yīng)力僅相當于最大應(yīng)力的2%，分析和試驗表明該失效非設(shè)計不良導(dǎo)致的，亦非試驗不當導(dǎo)致的，而是葉片試驗件因試制與設(shè)計預(yù)期不符所導(dǎo)致的。當前1#試驗件在進氣道封焊位置萌生的疲勞裂紋、線源特征且起源部位無明顯的材質(zhì)缺陷，結(jié)合圖12、13所示的薄板焊接后與葉盆、葉背側(cè)距離相差較大，明顯偏向其中一側(cè)的現(xiàn)象可知，這表明1#試驗件在制造交付時本身在封焊位置存在受力異?，F(xiàn)象。

以上分析表明裂紋為內(nèi)裂紋，且裂紋起源于進氣道區(qū)域，為加工缺陷導(dǎo)致。加工缺陷產(chǎn)生源于現(xiàn)采用工藝為氬弧焊，該焊接為人工操作在葉尖進行焊接，導(dǎo)致薄板變形、焊接厚度及焊接質(zhì)量難以控制，使得局部應(yīng)力出現(xiàn)極端集中現(xiàn)象。

4 驗證及改進措施

為驗證失效分析的有效性，選取2件試驗件，磨除葉尖氬弧焊封焊層且將表面打磨光順，然后在相同應(yīng)力水平下開展了振動疲勞試驗，試驗件裂紋均出現(xiàn)在最大應(yīng)力位置處，葉尖進氣道封焊位置未再發(fā)生失效，圖16為磨除葉尖進氣道封焊層的2#試驗件及試驗結(jié)果。這表明1#試驗件失效的確源于葉尖進氣道封焊工藝的缺陷，失效機理分析準確。

圖16 磨除葉尖進氣道封焊層的2#試驗件及試驗結(jié)果Fig.16 Blade-tip-grinded 2# test specimen and the test results

基于仿真、斷口分析、失效機理分析及驗證，查明了1#試驗件失效的機理，明確了失效發(fā)生的研制環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上為解決該問題，亟待制定合理有效的解決措施。

鑒于在失效機理分析中已明確失效是由于焊接工藝的選擇失當導(dǎo)致的，故著重于從焊接工藝的選擇入手，力圖選擇一種既能確保焊接變形可控制且具有良好焊接強度的焊接工藝。

結(jié)合國內(nèi)研究現(xiàn)狀，與氬弧焊工藝相比，電子束焊接優(yōu)點如下：（1）電子束焊縫質(zhì)量好，缺陷率低，強度較氬弧焊高；（2）熱影響區(qū)小，焊接變形小；（3）焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣，再現(xiàn)性好，易于實現(xiàn)機械化控制。同時開展了TC4試樣級電子束焊接工藝驗證試驗，驗證結(jié)果如圖17所示，焊縫均勻，焊接質(zhì)量良好。

為驗證改進措施的有效性，選取1件葉尖進氣道采用電子束封焊的試驗件，在480MPa振動應(yīng)力水平下進行了振動疲勞試驗，試驗結(jié)果如圖18所示，葉尖進氣道電子束焊接區(qū)域完好，裂紋出現(xiàn)在根部前緣最大應(yīng)力位置處。這表明本文分析的失效原因準確有效，制定的電子束焊接工藝可靠，能夠較好地解決葉尖進氣道封焊問題。

針對葉尖進氣道封焊，制定改進措施如下：（1）焊接工藝選擇電子束焊； （2）在進氣道封焊環(huán)節(jié)增加CT檢測，剔除可能影響性能的焊接不良隱患。

圖17 TC4試樣級電子束焊接工藝驗證結(jié)果Fig.17 Sample test result of TC4 electron beam welding process

圖18 葉尖進氣道采用電子束封焊的試驗件及試驗結(jié)果Fig.18 Test result of fan blade with electron beam welding process

5 結(jié)論

針對某空心風(fēng)扇葉片的進氣道高循環(huán)疲勞異常失效現(xiàn)象，開展了仿真計算、葉片振動應(yīng)力分布測試、失效部位斷口分析等研究工作。應(yīng)力分布測試和振動仿真分析結(jié)果均表明最大應(yīng)力位置位于葉盆側(cè)葉根前緣位置，與試驗中出現(xiàn)的葉尖進氣道失效位置不符。斷口分析和磨除進氣道封焊層的試驗驗證表明裂紋萌生于葉尖進氣道的通氣孔焊接封閉部位，且失效源于葉尖進氣道焊接缺陷。

針對加工環(huán)節(jié)的排查表明焊接缺陷源于焊接工序工藝選擇不當且焊接控制不良，開展的試樣級電子束焊接工藝研究和真實葉片試驗結(jié)果表明其焊接質(zhì)量良好，因此制定了更換進氣道封焊工藝為電子束焊和CT檢測環(huán)節(jié)的改進措施。

參 考 文 獻

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