張海兵，張?zhí)┓?，?奇

(1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 航空機(jī)械工程與指揮系，青島 266041；2.北京航空工程技術(shù)研究中心，北京 100076)

壓氣機(jī)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力裝置的主要組成部分和關(guān)鍵部件，是大氣流經(jīng)燃?xì)鈩?dòng)力裝置的首要通道，其性能對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能將產(chǎn)生直接影響。壓氣機(jī)葉片在服役過(guò)程中受載荷、環(huán)境等因素的影響，容易產(chǎn)生疲勞裂紋、腐蝕等故障，進(jìn)而引發(fā)葉片失效，嚴(yán)重威脅飛行安全[1]。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)在地面工作時(shí)也容易吸入砂石、細(xì)小顆粒等外來(lái)物，這些外來(lái)物會(huì)打傷壓氣機(jī)葉片而產(chǎn)生疲勞源，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞裂紋等缺陷。

1 壓氣機(jī)葉片損傷原因與損傷特征分析

1.1 鳥類等軟物體造成的損傷

在飛行中，由鳥撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)引起的壓氣機(jī)葉片損傷的情況非常多見，危害也較大。鳥撞等軟物體造成的損傷以宏觀特征為主，鈦合金葉片會(huì)發(fā)生彎曲變形，同時(shí)由于鈦合金薄葉片的耐沖擊能力差，會(huì)因沖擊而過(guò)載折斷；而鋼制葉片以彎曲變形為主，并有部分葉身卷曲撕裂，但不會(huì)發(fā)生大段的過(guò)載折斷。鳥撞等軟物體打傷多見于低壓壓氣機(jī)，其損傷程度與鳥類體積有較大關(guān)系，一般而言，鳥類體積越大造成的損傷程度也越大。典型鳥撞葉片變形區(qū)表面外觀如圖1所示。

圖1 典型鳥撞葉片變形區(qū)表面外觀

1.2 金屬、砂石等硬物造成的損傷

此類損傷是由航空發(fā)動(dòng)機(jī)在近地狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，吸入金屬、砂石等硬物造成的，屬于沖擊損傷，危害非常大，可發(fā)生于高低壓各級(jí)葉片。其具有4個(gè)基本特征：① 損傷處有應(yīng)力集中;② 損傷附近有殘余應(yīng)力場(chǎng);③ 損傷處有微小裂紋;④ 損傷處有微觀結(jié)構(gòu)損傷。在高周疲勞載荷的作用下，極易誘使疲勞裂紋萌生并快速擴(kuò)展，引起葉片的疲勞斷裂失效，從而嚴(yán)重威脅飛行安全。

這類硬物損傷缺口一般比較尖銳，且容易產(chǎn)生掉塊從而造成多級(jí)葉片的損傷，典型掉塊外觀如圖2，3所示。缺口和凹坑是這類損傷的主要類型。

圖2 葉片進(jìn)氣邊打傷掉塊處外觀

圖3 葉片掉塊斷口外觀

1.3 細(xì)小沙粒打傷而形成的疲勞裂紋

此類損傷是由飛機(jī)長(zhǎng)期吸入跑道上的細(xì)小沙粒造成的，起初并無(wú)明顯特征，當(dāng)累積到一定程度后可能會(huì)集中表現(xiàn)出來(lái)。損傷類型以裂紋和毛刺為主，多見于低壓壓氣機(jī)葉片。葉片經(jīng)沙粒打傷后會(huì)形成類似于金屬物打傷的特征，出現(xiàn)明顯的撞擊凹坑以及局部開裂現(xiàn)象，需要通過(guò)微觀形貌觀察，排除金屬切削痕跡或金屬熔融特征，并結(jié)合殘留物分析才能進(jìn)一步確認(rèn)。

比較典型的是某型發(fā)動(dòng)機(jī)低壓一級(jí)葉片進(jìn)氣邊裂紋，經(jīng)外觀檢查，裂紋位于進(jìn)氣邊距葉尖約18 mm處，裂紋從進(jìn)氣邊開始逐漸向葉尖方向發(fā)展，長(zhǎng)約8 mm(見圖4)。整個(gè)葉片沒有明顯變形損傷，但在進(jìn)氣邊和葉盆面上有多處細(xì)小的凹坑。在掃描電鏡下觀察，裂紋相對(duì)平直，開口很小。進(jìn)氣邊處有一個(gè)寬約0.3 mm，深約0.25 mm的凹坑，裂紋恰好位于凹坑底部(見圖5)。同時(shí)，在葉盆面上有多處凹坑，裂紋從部分凹坑上穿過(guò)。凹坑具有明顯的碾壓和金屬擠出特征，表明這些凹坑均為打傷痕跡。

圖4 進(jìn)氣邊裂紋及葉盆面打傷凹坑外觀

圖5 位于進(jìn)氣邊凹坑底部裂紋外觀

對(duì)于覆有涂層的葉片，沙粒打傷后主要損傷的是表面涂層，微觀形貌為涂層開裂或斑塊狀脫落。涂層脫落打傷的缺口一般會(huì)呈現(xiàn)灰白色，而金屬零件打傷的缺口一般有較明亮的金屬光澤。

2 壓氣機(jī)葉片損傷監(jiān)控對(duì)策

2.1 內(nèi)窺檢查與損傷影像分析

目前，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的損傷監(jiān)控，大多采用內(nèi)窺檢測(cè)方法，內(nèi)窺檢測(cè)中以檢測(cè)人員觀察分析為主。也有一些內(nèi)窺鏡具備缺陷的自動(dòng)識(shí)別功能，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的損傷形態(tài)，將缺陷分為線條形(如裂紋)和面積形(如缺口、撕裂等)，針對(duì)不同的損傷形態(tài)，采取不同的自動(dòng)測(cè)量方法。對(duì)于內(nèi)窺鏡檢測(cè)來(lái)說(shuō)，面積形缺陷比較容易檢出，如缺口(見圖6)和掉塊(見圖7)，而裂紋因比較細(xì)小而不易檢出。受內(nèi)窺鏡的分辨率、缺陷位置、光照情況、葉片表面劃痕與附著物等因素的影響，容易發(fā)生漏檢，所以需要檢測(cè)人員特別仔細(xì)地檢查，尤其是要注意裂紋與表面劃痕的區(qū)別。裂紋的擴(kuò)展方向一般不是很規(guī)則，有較尖銳的尾部特征，且在葉片邊上容易出現(xiàn)較明顯的裂紋痕跡；而劃痕多呈直線或帶一定弧度的平滑曲線，在葉片邊上一般不會(huì)留下痕跡。

圖6 葉片缺口外觀

圖7 葉片掉塊外觀

另一個(gè)值得注意的問(wèn)題是，需要加強(qiáng)對(duì)處于規(guī)程允許損傷范圍內(nèi)未處理的舊傷的監(jiān)控與處理。由于局部應(yīng)力集中，此類輕微損傷也同樣存在萌生裂紋的可能性，且這類后續(xù)擴(kuò)展裂紋極其隱蔽，不易被發(fā)現(xiàn)。

內(nèi)窺鏡檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是快速、簡(jiǎn)單方便、直觀、經(jīng)濟(jì)，但其缺點(diǎn)為僅能檢測(cè)葉片表面缺陷，且容易受檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)和葉片表面狀況的影響[2]。例如，某型發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面有耐高溫涂層，經(jīng)長(zhǎng)期使用后，在葉邊容易出現(xiàn)鋸齒狀的微小缺口形態(tài)，經(jīng)驗(yàn)不足的檢測(cè)人員可能會(huì)誤認(rèn)為是微小損傷。葉片涂層脫落外觀如圖8所示。

圖8 葉片涂層脫落外觀

2.2 渦流檢測(cè)與損傷定量評(píng)估

渦流檢測(cè)技術(shù)是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的一種無(wú)損檢測(cè)方法，適用于導(dǎo)體材料的檢測(cè)，其對(duì)疲勞裂紋和亞表面腐蝕缺陷非常敏感，靈敏度高，可達(dá)性好。對(duì)于渦流檢測(cè)，包含葉片質(zhì)量信息的是渦流傳感器中測(cè)量線圈接收的電壓(電流)信號(hào)。而測(cè)量線圈接收到的輸出信號(hào)中，能夠表征葉片裂紋缺陷等不連續(xù)的是電壓(電流)信號(hào)的變化量，或者說(shuō)是渦流傳感器分別置于葉片完好處與含有裂紋等不連續(xù)性缺陷處所接收到的電壓(電流)信號(hào)差[3]。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片損傷，疲勞裂紋是最危險(xiǎn)的，裂紋擴(kuò)展會(huì)引起葉片斷裂，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)打傷發(fā)動(dòng)機(jī)，造成更大的損失[4]。為了精確測(cè)量裂紋的尺寸，筆者運(yùn)用當(dāng)量曲線法在損傷定量方面進(jìn)行了探討。

選取4個(gè)葉片，在葉尖部位加工長(zhǎng)度為5 mm，深度分別為0.2，0.4，0.6，0.8 mm的裂紋，為了研究不同頻率下裂紋信號(hào)的大小，參數(shù)設(shè)置中頻率設(shè)置了8個(gè)值，其余參數(shù)保持不變。當(dāng)渦流傳感器在葉片試件上分別沿著垂直于裂紋長(zhǎng)度方向掃描不同深度的裂紋缺陷時(shí)，可以得出裂紋信號(hào)幅值與裂紋的深度基本成正比的結(jié)論。圖9為1.3 MHz頻率下不同深度裂紋缺陷的檢測(cè)信號(hào)。表1為不同檢測(cè)頻率下不同深度裂紋缺陷的檢測(cè)信號(hào)幅值。

表1 不同檢測(cè)頻率下不同深度裂紋缺陷的檢測(cè)信號(hào)幅值 %

圖9 1.3 MHz頻率下不同深度裂紋缺陷的檢測(cè)信號(hào)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的檢測(cè)頻率與幅值，繪制信號(hào)幅值隨裂紋深度變化曲線(見圖10)和信號(hào)幅值隨檢測(cè)頻率變化曲線(見圖11)。

從圖10,11可以看出，在檢測(cè)參數(shù)不變的情況下，裂紋深度越大，檢測(cè)信號(hào)幅值越大。所以可以根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的幅值大小定量地判斷裂紋的深度。從圖11可以看出，在頻率為1.3 MHz2.0 MHz時(shí)，裂紋信號(hào)幅值變化幅度較小，但也能從中分析頻率與幅值之間的規(guī)律。當(dāng)檢測(cè)0.2 mm深度的裂紋時(shí)，由頻率變化引起信號(hào)幅值變化的幅度較小，證明在頻率為1.3 MHz2.0 MHz時(shí)信號(hào)均可以滲透0.2 mm的深度。當(dāng)檢測(cè)0.8 mm深度裂紋時(shí)，頻率變化引起信號(hào)幅值變化的幅度較明顯，從1.6 MHz開始，隨著頻率的增大，由于趨膚效應(yīng)，渦流滲透能力下降，裂紋信號(hào)幅值減小。

圖10 信號(hào)幅值隨裂紋深度變化曲線

圖11 信號(hào)幅值隨檢測(cè)頻率變化曲線

趨膚效應(yīng)以滲透深度δ來(lái)描述，即電流密度減小到表面電流密度的37%時(shí)的深度[5]。

(1)

式中:μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；s為電導(dǎo)率；δ為滲透深度；f為頻率。

式(1)表明,滲透深度δ與頻率f的平方根成反比，f越大，則δ越小。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析完全吻合，因此在渦流檢測(cè)中，如果需要檢測(cè)的裂紋深度較大，可選擇較低的頻率。疲勞裂紋往往存在于葉片表面，較高的檢測(cè)頻率對(duì)于表面微小缺陷有更高的檢測(cè)靈敏度。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，可以看出檢測(cè)頻率在2.0 MHz時(shí)，缺陷信號(hào)的指示線性較好，更加適合葉片損傷的定量。因此，葉片的檢測(cè)頻率確定為2.0 MHz。在實(shí)際檢測(cè)中，只要確定好檢測(cè)頻率，測(cè)量出信號(hào)幅值，再根據(jù)圖10和圖11，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片損傷的深度判定。在葉片的實(shí)際損傷中，受到葉片材料、損傷形狀等影響，產(chǎn)生的裂紋深度在不同的區(qū)域會(huì)有變化，在裂紋的起始部位開裂會(huì)深一些，裂紋端部開裂會(huì)稍淺?？刹捎蒙鲜龇椒ǘ總鞲衅鳈z測(cè)點(diǎn)的裂紋深度，找出裂紋開裂最深的部位。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片服役過(guò)程中出現(xiàn)的裂紋、掉塊等損傷現(xiàn)象，運(yùn)用基于斷口分析技術(shù)和能譜分析技術(shù)的失效分析手段，查明了導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片損傷的機(jī)理和根本原因，提出了集內(nèi)窺鏡檢測(cè)和渦流檢測(cè)于一體的監(jiān)控對(duì)策。通過(guò)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果和缺陷對(duì)比試塊檢測(cè)試驗(yàn)，分析了葉片損傷圖像和損傷檢測(cè)信號(hào)的典型特征，找出了缺陷的渦流信號(hào)顯示與其實(shí)際大小的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為準(zhǔn)確可靠地定量判斷提供了基準(zhǔn)。通過(guò)綜合運(yùn)用內(nèi)窺鏡檢測(cè)和渦流檢測(cè)監(jiān)控壓氣機(jī)葉片損傷，既能直觀地觀察到損傷的形貌特征，又可對(duì)危險(xiǎn)的裂紋故障進(jìn)行精確定量，對(duì)于保障飛行安全具有重要意義。