（中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)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(jì)特征[1-3]，內(nèi)部空心瓦倫結(jié)構(gòu)通常采用擴(kuò)散焊接/超塑成型等特種工藝[4-7]。為實(shí)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(shí)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(shí)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(jī)工作狀態(tài)下外物等進(jìn)入葉片空心區(qū)域內(nèi)，需要將進(jìn)氣道的通氣孔焊接，從而使葉片空心區(qū)域形成一個(gè)封閉獨(dú)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(jìn)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(dòng)問題需高度關(guān)注[8-11]，結(jié)合某空心風(fēng)扇葉片的進(jìn)氣道高循環(huán)疲勞異常失效現(xiàn)象，本文通過試驗(yàn)和振動(dòng)仿真計(jì)算、斷口分析等工作，以確定失效機(jī)理，并通過分析和驗(yàn)證明確了失效根源和控制措施，給出了葉尖進(jìn)氣道封焊的可行解決措施。

1 試驗(yàn)過程及失效描述

某TC4空心風(fēng)扇葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)循環(huán)數(shù)為1×107，試驗(yàn)考核振型為一階彎曲振型，試驗(yàn)設(shè)備為希爾8T電磁振動(dòng)臺，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1中空心風(fēng)扇葉片試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)葉片試驗(yàn)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(gè)試驗(yàn)裝置與振動(dòng)臺的緊固通過連接螺栓實(shí)現(xiàn)。

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

按照共振駐留法對試驗(yàn)件開展振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)中1#試驗(yàn)件發(fā)生異常失效，在葉尖型面的進(jìn)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(kuò)展，如圖4所示，試驗(yàn)循環(huán)數(shù)為0.45×107次。

結(jié)合圖4的振動(dòng)應(yīng)力分布，可以明確失效位置非該葉片理論危險(xiǎn)位置，為判明失效原因，結(jié)合試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)應(yīng)力測量值進(jìn)行分析。試驗(yàn)過程中，在葉尖進(jìn)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(jìn)氣道應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)為51#，最大應(yīng)力位置監(jiān)測點(diǎn)為32#。在32#測點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力為480MPa時(shí)，監(jiān)測獲取51#測點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力為2.1MPa，由此初步判斷51#測點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于試驗(yàn)件的最大振動(dòng)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(xì)的失效分析工作。

圖1 試驗(yàn)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(dòng)應(yīng)變分布示意圖Fig.3 Distribution of vibratory strain of first bending mode

圖4 1#試驗(yàn)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(jìn)行了振動(dòng)分析和模擬試驗(yàn)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(jì)算試驗(yàn)時(shí)空心風(fēng)扇葉片的振動(dòng)應(yīng)力分布，僅模擬由振動(dòng)臺激勵(lì)引起的振動(dòng)應(yīng)力的作用，對其進(jìn)行了諧響應(yīng)分析，分析工況及載荷模擬試驗(yàn)狀態(tài)施加。計(jì)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(dòng)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?yàn)槿~片理論危險(xiǎn)位置，與振動(dòng)應(yīng)力分布測試的32#應(yīng)變測點(diǎn)位置相符。

1#試驗(yàn)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(dòng)應(yīng)力小于3MPa，在葉尖截面盆側(cè)最大振動(dòng)應(yīng)力小于6MPa，在葉尖截面中部的振動(dòng)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(dòng)應(yīng)力小于10MPa。葉片裂紋萌生區(qū)域的振動(dòng)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(dòng)應(yīng)力遠(yuǎn)小于葉根的最大振動(dòng)應(yīng)力（475MPa），該區(qū)域最大應(yīng)力僅為葉片最大振動(dòng)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(jì)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(dòng)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(yàn)件葉尖背側(cè)振動(dòng)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(yàn)件葉尖盆側(cè)振動(dòng)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(yàn)件葉尖截面中部振動(dòng)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(yàn)件的失效模式及原因，對其進(jìn)行了斷口分析和金相檢查。

1#試驗(yàn)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(jìn)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(kuò)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(jìn)氣道封焊時(shí)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(yàn)件裂紋外觀形貌圖Fig.10 Crack of 1# test specimen

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

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

1#試驗(yàn)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(kuò)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(jī)理分析

根據(jù)斷口分析結(jié)果可知1#試驗(yàn)件裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋，起源于葉尖進(jìn)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(yàn)件局部封焊斷口形貌圖。

圖13 1#試驗(yàn)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(yàn)件疲勞條帶特征Fig.14 Fatigue characteristics on fracture micrograph of 1# test specimen

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

1#試驗(yàn)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(diǎn)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(rèn)為：焊接深度不足并且局部點(diǎn)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(dòng)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(dāng)于最大應(yīng)力的2%，分析和試驗(yàn)表明該失效非設(shè)計(jì)不良導(dǎo)致的，亦非試驗(yàn)不當(dāng)導(dǎo)致的，而是葉片試驗(yàn)件因試制與設(shè)計(jì)預(yù)期不符所導(dǎo)致的。當(dāng)前1#試驗(yàn)件在進(jìn)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(yàn)件在制造交付時(shí)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(jìn)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(jìn)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(yàn)證及改進(jìn)措施

為驗(yàn)證失效分析的有效性，選取2件試驗(yàn)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(dòng)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)件裂紋均出現(xiàn)在最大應(yīng)力位置處，葉尖進(jìn)氣道封焊位置未再發(fā)生失效，圖16為磨除葉尖進(jìn)氣道封焊層的2#試驗(yàn)件及試驗(yàn)結(jié)果。這表明1#試驗(yàn)件失效的確源于葉尖進(jìn)氣道封焊工藝的缺陷，失效機(jī)理分析準(zhǔn)確。

圖16 磨除葉尖進(jìn)氣道封焊層的2#試驗(yàn)件及試驗(yàn)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(jī)理分析及驗(yàn)證，查明了1#試驗(yàn)件失效的機(jī)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(jī)理分析中已明確失效是由于焊接工藝的選擇失當(dāng)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(qiáng)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(diǎn)如下：（1）電子束焊縫質(zhì)量好，缺陷率低，強(qiáng)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(shí)現(xiàn)機(jī)械化控制。同時(shí)開展了TC4試樣級電子束焊接工藝驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果如圖17所示，焊縫均勻，焊接質(zhì)量良好。

為驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性，選取1件葉尖進(jìn)氣道采用電子束封焊的試驗(yàn)件，在480MPa振動(dòng)應(yīng)力水平下進(jìn)行了振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖18所示，葉尖進(jìn)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(zhǔn)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(jìn)氣道封焊問題。

針對葉尖進(jìn)氣道封焊，制定改進(jìn)措施如下：（1）焊接工藝選擇電子束焊； （2）在進(jìn)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(yàn)證結(jié)果Fig.17 Sample test result of TC4 electron beam welding process

圖18 葉尖進(jìn)氣道采用電子束封焊的試驗(yàn)件及試驗(yàn)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(jìn)氣道高循環(huán)疲勞異常失效現(xiàn)象，開展了仿真計(jì)算、葉片振動(dòng)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(dòng)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(yàn)中出現(xiàn)的葉尖進(jìn)氣道失效位置不符。斷口分析和磨除進(jìn)氣道封焊層的試驗(yàn)驗(yàn)證表明裂紋萌生于葉尖進(jìn)氣道的通氣孔焊接封閉部位，且失效源于葉尖進(jìn)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(dāng)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(shí)葉片試驗(yàn)結(jié)果表明其焊接質(zhì)量良好，因此制定了更換進(jìn)氣道封焊工藝為電子束焊和CT檢測環(huán)節(jié)的改進(jìn)措施。

參 考 文 獻(xiàn)

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