高志坤，胡 霖，張開(kāi)闊，李 洋，劉 冬

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

壓氣機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件之一，其主要作用是提高工作介質(zhì)的空氣壓力。轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量多、形體單薄、轉(zhuǎn)速高，以及載荷、工況復(fù)雜，使其成為使用中故障率最高的零部件之一[1]。轉(zhuǎn)子葉片最常見(jiàn)的失效模式為疲勞失效，其原因多種多樣，主要包括共振、外物打傷、腐蝕、材質(zhì)缺陷、微動(dòng)損傷、葉尖碰摩等[2-5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碰摩故障的動(dòng)力學(xué)機(jī)理和碰摩模型進(jìn)行了深入研究[6-10]，認(rèn)識(shí)了由碰摩故障導(dǎo)致的波形截頭、倍頻、分頻以及混沌等特征和現(xiàn)象，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性[11-13]。然而，碰摩使葉片承受非正常沖擊載荷引起的葉片疲勞失效分析方面未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道，并且與傳統(tǒng)葉片共振的失效模式差異性較難界定。

在某型燃?xì)廨啓C(jī)試車時(shí)，1片高壓壓氣機(jī)第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生斷裂故障，導(dǎo)致該級(jí)其它轉(zhuǎn)子葉片及其后面的轉(zhuǎn)子、靜子葉片被打傷、變形。高壓壓氣機(jī)第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片由綜合性能較好的GH4169高溫合金模鍛成形。工藝流程主要為：下料→探傷→鍛造→切邊→校正→檢驗(yàn)→熱處理→粗加工→精加工→拋光→噴丸→振動(dòng)光飾等。類似故障在燃?xì)廨啓C(jī)上首次發(fā)生，因而探究其失效機(jī)理，對(duì)進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)和改進(jìn)工藝有一定借鑒意義。

本文通過(guò)對(duì)斷口的宏、微觀形貌觀察、表面檢查、成分分析、組織檢查、硬度檢測(cè)等多方面對(duì)故障葉片進(jìn)行分析，以明確其失效模式及原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

故障葉片宏觀形貌如圖1所示。斷裂發(fā)生在葉身根部、距離緣板表面約1 mm的葉背與緣板的轉(zhuǎn)接R區(qū)。從圖中可見(jiàn)，斷口平坦，呈銀灰色，無(wú)明顯氧化色，進(jìn)、排氣邊和葉盆側(cè)邊緣可見(jiàn)剪切唇特征，說(shuō)明裂紋應(yīng)起源于葉背側(cè)；葉背側(cè)裂紋大體平直，中間段有長(zhǎng)約8.15 mm的下沉臺(tái)階。

圖1 故障葉片宏觀形貌

故障葉片榫頭宏觀形貌如圖2所示。從圖中可見(jiàn)，故障葉片榫頭工作面擠壓、磨損痕跡明顯，且分布不均，呈對(duì)角擠壓特征，如圖3所示；葉片對(duì)應(yīng)的第4級(jí)轉(zhuǎn)子外環(huán)塊涂層磨損嚴(yán)重，并有大面積脫落現(xiàn)象，表明轉(zhuǎn)子葉片葉尖與機(jī)匣涂層碰摩，如圖4所示。同級(jí)其他葉片榫頭工作面損傷痕跡輕微，未見(jiàn)明顯的對(duì)角擠壓特征，如圖5所示。

圖2 故障葉片榫頭形貌

圖3 故障葉片榫頭壓痕位置

圖4 轉(zhuǎn)子外環(huán)塊涂層損傷形貌

圖5 同級(jí)其他葉片榫頭形貌

1.2 斷口宏觀觀察

故障葉片斷口宏觀放大形貌如圖6所示。從圖中可見(jiàn)，斷口處有明顯的疲勞弧線特征，表明故障葉片斷口應(yīng)為疲勞斷口[14]；從疲勞弧線的方向判斷疲勞源位于葉背側(cè)表面，向進(jìn)、排氣邊和葉盆側(cè)側(cè)擴(kuò)展，源區(qū)呈線性特征。

圖6 整流支板斷口宏觀形貌

1.3 斷口微觀觀察

采用LEO1450型掃描電鏡對(duì)故障葉片斷口進(jìn)行觀察，低倍形貌如圖7（a）所示。從圖中可見(jiàn)，在斷口處有明顯的疲勞弧線和放射棱線特征，由其方向進(jìn)一步表明故障葉片從葉背側(cè)向進(jìn)、排氣邊和葉盆方向疲勞擴(kuò)展。疲勞分3個(gè)臺(tái)階線性從葉背側(cè)表面起始，中間臺(tái)階長(zhǎng)約8.0 mm，為主源，次源位于主源兩側(cè)，表明葉片為多源疲勞斷裂。對(duì)疲勞源區(qū)放大觀察，形貌如圖7（b）、（c）所示。從圖中可見(jiàn)，源區(qū)有一定程度磨損，未見(jiàn)明顯的冶金缺陷，表面有一淺層無(wú)明顯斷裂特征區(qū)域，應(yīng)為葉片原始加工刀痕，疲勞裂紋起源于該區(qū)域。源區(qū)高倍形貌如圖7（d）所示。從圖中可見(jiàn)，淺層區(qū)域（加工刀痕）深入基體約4.4μm，表明疲勞起源與加工刀痕有關(guān)；此外，在疲勞起始區(qū)可見(jiàn)疲勞條帶特征。在疲勞擴(kuò)展區(qū)中部，主要呈韌窩+疲勞條帶特征，擴(kuò)展后期為韌窩形貌，分別如圖 7（e）、（f）所示。

圖7 斷口微觀形貌

1.4 表面檢查

采用掃描電鏡對(duì)葉片疲勞源區(qū)附近葉背表面進(jìn)行觀察可見(jiàn)，在斷口主疲勞源下方還存在多條明顯的平行加工刀痕，形貌如圖8（a）所示；放大觀察該加工痕跡，已局部開(kāi)裂，如圖8（b）所示，說(shuō)明故障葉片斷口起始應(yīng)力較大；疲勞源附近表面為噴丸+振動(dòng)光飾后形貌，仍可見(jiàn)明顯加工痕跡，如圖8（c）所示；葉片噴丸工藝試片表面噴丸覆蓋率遠(yuǎn)低于100%要求，如圖 8（d）所示。

圖8 斷口微觀形貌

1.5 成分分析

利用能譜分析儀對(duì)葉片基體、斷口源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)分別進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可見(jiàn)，故障葉片基體成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；在斷口疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)除基體材料成分外，還含有O元素，且疲勞源區(qū)氧含量高于擴(kuò)展區(qū)的，表明可能與葉片斷口磨損有關(guān)。

表1 能譜分析結(jié)果 W/%

1.6 硬度測(cè)試

在故障葉片斷口附近取硬度試樣，用TH320型全洛氏硬度計(jì)測(cè)定洛氏硬度，結(jié)果為415、415、420 HB，符合≥346 HB的技術(shù)要求。

1.7 金相檢查

從與故障葉片相同鍛造批次的葉片葉身和榫頭截取金相試樣，將其打磨、腐蝕后觀察顯微組織，形貌如圖9所示。結(jié)果見(jiàn)表2，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 葉片組織形貌

表2 葉片金相組織檢查結(jié)果

1.8 模擬試驗(yàn)

為了明確故障葉片大應(yīng)力疲勞起始的成因，選取3片葉片進(jìn)行共振頻率下的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，振動(dòng)應(yīng)力為1300 MPa。其中有1片葉片試驗(yàn)后裂紋位置與故障葉片的相近，形貌如圖10所示。從圖中可見(jiàn)，裂紋斷口為單源疲勞，斷口較細(xì)膩，擴(kuò)展區(qū)未見(jiàn)疲勞弧線特征，源區(qū)呈類解理形貌，近源區(qū)未見(jiàn)疲勞條帶，榫頭工作面擠壓痕跡輕微，未見(jiàn)明顯的對(duì)角擠壓特征，上述形貌特征與故障葉片斷口特征不符。

2 失效原因分析

故障葉片的材料成分、組織和硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，表明該葉片的斷裂與材質(zhì)與冶金缺陷無(wú)關(guān)。

對(duì)斷口的宏觀和微觀檢查表明，故障葉片斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，疲勞起源于葉身的葉背與緣板轉(zhuǎn)接R處，源區(qū)呈多源、線性，起始區(qū)即可見(jiàn)到疲勞條帶特征，表明故障葉片疲勞斷裂起始應(yīng)力大。

故障葉片所受大應(yīng)力的來(lái)源有2種可能：

（1）葉片存在共振。該型機(jī)第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明葉片動(dòng)強(qiáng)度儲(chǔ)備滿足要求；葉片共振頻率下的振動(dòng)疲勞模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示裂紋斷口為單源疲勞，斷口較細(xì)膩，擴(kuò)展區(qū)未見(jiàn)疲勞弧線特征，源區(qū)呈類解理形貌，近源區(qū)未見(jiàn)疲勞條帶，榫頭工作面擠壓痕跡輕微、未見(jiàn)明顯的對(duì)角擠壓特征，均與故障葉片斷口特征不符；此外，超過(guò)百臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，大于上萬(wàn)小時(shí)使用時(shí)間，未發(fā)生由葉片共振引發(fā)的故障。因此可排除葉片由于共振產(chǎn)生裂紋或斷裂。

（2）由于葉尖與機(jī)匣涂層嚴(yán)重碰摩，使葉片承受非正常沖擊力。葉片與機(jī)匣每次碰摩，近似1個(gè)沖擊過(guò)程，葉片與機(jī)匣接觸階段即發(fā)生碰摩，葉片的徑向應(yīng)力發(fā)生急劇變化。在極短時(shí)間內(nèi)，葉尖、葉中和葉根的最大應(yīng)力在葉片與機(jī)匣“接觸-碰撞”后依次發(fā)生，葉片沿葉高方向受到1個(gè)徑向沖擊加載波的作用，葉身有明顯的應(yīng)力波傳導(dǎo)，葉尖的碰摩瞬時(shí)應(yīng)力最大，葉根的平均應(yīng)力水平最大，影響葉片葉身應(yīng)力的瞬時(shí)分布和變化規(guī)律[15]。此外，從葉片型面復(fù)查結(jié)果可知（內(nèi)容從略），故障葉片型面位置度由葉盆向葉背偏移超差0.271 mm，造成故障葉片徑向變形量增加約0.12 mm，使故障葉片成為本級(jí)葉片中最“長(zhǎng)”葉片，導(dǎo)致該葉片碰摩更嚴(yán)重、碰摩力更大，榫頭工作面對(duì)角擠壓嚴(yán)重，機(jī)匣涂層大面積脫落，使故障葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，在涂層掉塊嚴(yán)重的部位受到較大的碰摩沖擊力，是導(dǎo)致葉片根部損傷、萌生裂紋的主要原因。

構(gòu)件的形狀和材料性質(zhì)急劇改變處（一般在構(gòu)件的臺(tái)階、轉(zhuǎn)角、溝槽以及材料缺陷等附近），會(huì)產(chǎn)生局部高應(yīng)力（σmax）應(yīng)力集中，且缺陷或轉(zhuǎn)角等形狀愈尖銳，材料的強(qiáng)度愈高，應(yīng)力集中系數(shù)也就愈大[16]。本故障葉片萌生疲勞裂紋的位置恰是葉背與緣板轉(zhuǎn)接R處（規(guī)定值1.7+0.5），該處表面存在明顯的多條平直機(jī)械加工刀痕，疲勞源處刀痕深入基體約4.4μm，大于設(shè)計(jì)表面粗糙度Ra=0.8μm的要求，破壞了葉片表面完整性，提高了源區(qū)應(yīng)力水平，加之GH4169合金具有一定的缺口敏感性[17]，在周期沖擊應(yīng)力作用下促使故障葉片過(guò)早誘發(fā)疲勞裂紋萌生；但除故障葉片外，該級(jí)有多片葉片葉背與緣板轉(zhuǎn)接R處加工痕跡明顯，且復(fù)查表面粗糙度Ra也超出設(shè)計(jì)要求，但這些葉片并未出現(xiàn)裂紋，說(shuō)明故障葉片的原始加工刀痕對(duì)疲勞裂紋的萌生僅起促進(jìn)作用，并不是主要原因。

從對(duì)故障級(jí)葉片加工工藝復(fù)查可知，葉片后期機(jī)加工藝依次是拋光、噴丸和振動(dòng)光飾。通常噴丸強(qiáng)化過(guò)程是使用壓縮空氣將大量的彈丸噴射到工件的表面上，在工件表面積累大量壓應(yīng)力，表層組織在彈丸的大力打擊下會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，表層組織細(xì)化，葉片表面粗糙度值會(huì)略有提高，對(duì)于較淺的加工刀痕有一定的去除作用；振動(dòng)光飾是通過(guò)磨料和零件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生微量的磨削加工作用，去除零件表面的尖邊和微小凸起，促使零件表面粗糙度值降低。經(jīng)過(guò)噴丸+振動(dòng)光飾的葉片表面產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，在交變應(yīng)力下裂紋萌生和擴(kuò)展的勢(shì)壘提高，抗疲勞破壞的能力增強(qiáng)，一般噴丸效果好的葉片疲勞裂紋萌生于葉片的亞表面，而故障葉片疲勞裂紋并未萌生于該處，且葉片噴丸工藝試片表面檢查顯示噴丸覆蓋率遠(yuǎn)低于100%，進(jìn)一步說(shuō)明葉片噴丸質(zhì)量差對(duì)裂紋的萌生起促進(jìn)作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）故障葉片斷裂為疲勞性質(zhì)，且與材質(zhì)和冶金缺陷無(wú)關(guān)；

（2）故障葉片葉尖與機(jī)匣涂層嚴(yán)重碰摩，使葉片承受非正常沖擊力是葉片疲勞斷裂的主要原因；

（3）葉片原始加工刀痕和噴丸質(zhì)量差對(duì)疲勞裂紋萌生起促進(jìn)作用；

（4）建議提高葉片加工質(zhì)量，按照精品工程工藝加工，控制合理的葉片與機(jī)匣涂層之間的間隙，避免產(chǎn)生非正常碰摩。