卜嘉利，高志坤，牛建坤，曹 勇

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

隨著中國對航空發(fā)動機動力要求的不斷提升，壓氣機部件氣動負荷和性能指標也不斷提高。風(fēng)扇靜子葉片作為航空發(fā)動機壓氣機中的核心部件，在發(fā)動機工作過程中起到了降低氣體流動速度、提高氣體壓力和改變氣流方向的作用[1-2]。風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片服役環(huán)境十分惡劣，發(fā)生失效概率較高[3]。風(fēng)扇靜子葉片失效模式以疲勞失效為主，引發(fā)葉片疲勞失效的原因有外物沖擊損傷、共振、微動磨損、表面加工缺陷及鑄造缺陷等。一旦風(fēng)扇靜子葉片發(fā)生失效，將會嚴重影響發(fā)動機的總體性能和穩(wěn)定性，所以對風(fēng)扇靜子葉片開展失效機理研究意義重大。為了獲取靜子葉片的疲勞極限，達到確定其初始應(yīng)力水平的目的，在室溫條件下對該型葉片開展了振動疲勞試驗。試驗在電磁振動臺上進行，用根部固支的方式對葉片上緣板側(cè)面與夾具進行固定。試驗結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)葉片并沒有達到試驗?zāi)繕搜h(huán)數(shù)，在葉片前緣表面有裂紋萌生。該葉片由TC4 鈦合金加工制造而成，該合金具有強度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕性好和抗高溫氧化等優(yōu)點，在航空發(fā)動機零部件上得到廣泛應(yīng)用[4-6]。葉片主要加工工序流程為模鍛－葉型緣板粗銑加工－熱處理去除應(yīng)力－葉型緣板精銑加工－砂帶拋光－腐蝕檢查－振動光飾－熒光探傷。

國內(nèi)外針對風(fēng)扇葉片開展了諸多研究工作。徐建新等[7]運用流體動力學(xué)方法建立發(fā)動機風(fēng)扇流場仿真模型，對硬物撞擊風(fēng)扇葉片表面損傷規(guī)律進行模擬；張海洋等[8]采用流體動力學(xué)方法和帶失效應(yīng)變彈塑性材料模型建立冰雹數(shù)值模型，對航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片進行冰雹撞擊仿真，能夠準確預(yù)估冰雹撞擊過程及葉片損傷程度；Ni 等[9]通過模擬仿真與試驗相結(jié)合的方法對多模態(tài)激勵下風(fēng)扇葉片的應(yīng)力特征進行了細致研究；Hong 等[10]通過數(shù)值模擬和試驗分析手段，對高弧度的殼形風(fēng)扇靜子葉片振動應(yīng)力進行了分析；高志坤等[11]通過風(fēng)扇葉片服役環(huán)境分析、材質(zhì)分析及強度計算等手段對葉片失效原因進行分析，表明葉片工作過程中葉尖與機匣處理環(huán)發(fā)生異常碰摩，使葉片承受非正常沖擊載荷是葉片萌生疲勞裂紋的主要原因；卜嘉利等[12]研究發(fā)現(xiàn)如果風(fēng)扇葉片表面存在機加刀痕會改變?nèi)~片表面振動應(yīng)力分布，在機加刀痕處形成應(yīng)力集中，葉片表面有刀痕部位振動應(yīng)力約為無刀痕部位振動應(yīng)力的2倍。

目前，中國鮮有關(guān)于在對風(fēng)扇葉片進行振動光飾時，由于振動光飾磨粒棱角鋒利導(dǎo)致風(fēng)扇葉片表面劃傷從而引發(fā)葉片失效方面的報道。本文通過熒光探傷、斷口宏微觀分析、源區(qū)表面檢查、葉片表面劃痕來歷分析、材質(zhì)分析及有限元應(yīng)力模擬分析，確定了裂紋性質(zhì)及萌生原因，并提出了相應(yīng)改進措施，防止故障再次發(fā)生。

1 試驗與解析

1.1 熒光探傷

為確定振動疲勞試驗后風(fēng)扇靜子葉片裂紋位置，對該葉片進行熒光探傷，探傷結(jié)果如圖1 所示。從圖中可見，葉片前緣上緣板與葉身的轉(zhuǎn)接部位存在1 條裂紋，且裂紋沿葉片厚度方向裂透。振動疲勞試驗葉片上緣板與夾具裝配如圖2 所示。從圖中可見，用根部固支的方式對葉片上緣板側(cè)面與夾具進行固定，葉片裂紋萌生部位如紅色虛線圈所示。

圖1 葉片裂紋熒光顯示圖像

圖2 葉片與夾具裝配

1.2 斷口宏、微觀分析

該裂紋斷口宏觀形貌如圖3 所示。從圖中可見，斷口表面潔凈、平坦，磨損較重，可見疲勞弧線與放射棱線，表明該斷口的性質(zhì)為疲勞。根據(jù)疲勞弧線與放射棱線的收斂方向判斷，疲勞起源于葉片葉盆側(cè)前緣靠近上緣板表面，疲勞源區(qū)距前緣約2.3 mm，具體位置見紅色虛線圈。

圖3 故障葉片斷口形貌

斷口疲勞源區(qū)微觀形貌如圖4 所示。從圖中可見，疲勞起源于葉片葉盆側(cè)前緣靠近上緣板基體表面，呈多源線性特征，源區(qū)未見缺陷及雜質(zhì)。擴展區(qū)微觀形貌如圖5 所示。從圖中可見細密的疲勞條帶，進一步證明了該斷口為疲勞斷口。

圖4 疲勞斷口源區(qū)微觀形貌（500倍）

圖5 斷口疲勞擴展區(qū)微觀形貌（1000倍）

1.3 源區(qū)側(cè)表面檢查

葉片檢查標準規(guī)定葉身表面不應(yīng)有劃痕、壓痕，而斷口疲勞源區(qū)附近表面微觀放大形貌如圖6 所示。從圖中可見明顯與斷口平行的磨痕和與斷口呈一定角度的斷續(xù)劃痕，不符合標準要求。并且放射棱線匯聚在斷口源區(qū)側(cè)表面的斷續(xù)劃痕處，說明裂紋的萌生與源區(qū)附近表面的劃痕有關(guān)。

圖6 斷口源區(qū)附近表面微觀形貌

1.4 劃痕來歷分析

為了明確葉身表面劃痕的來歷，對車間加工葉片的整個工藝流程進行了現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)工藝流程中有砂帶拋光和振動光飾的操作步驟。振動光飾磨粒檢查結(jié)果如圖7 所示。從圖中可見，磨粒存在棱邊圓滑與棱邊不圓滑有棱角這2 種形態(tài)。振動光飾操作規(guī)范明確要求，如重新添加或者補添加振動光飾磨粒時，應(yīng)空機運行3～6 h，確保磨粒棱邊圓滑，達到不劃傷零件表面狀態(tài)的目的，而通過檢查結(jié)果可知，此次振動光飾磨粒棱邊存在棱角，不符合標準要求，因此判斷圖6 中斷口源區(qū)側(cè)表面的斷續(xù)劃痕應(yīng)是振動光飾磨顆與葉片相互摩擦產(chǎn)生的。

圖7 2種振動光飾磨粒宏觀圖像

1.5 成分檢查

葉片材質(zhì)能譜分析結(jié)果見表1，合金元素質(zhì)量分數(shù)均符合要求。

表1 能譜分析結(jié)果 wt%

1.6 硬度檢查

在葉片疲勞裂紋附近區(qū)域基體取樣后，對該區(qū)域3 個位置分別進行布氏硬度檢查，結(jié)果見表2，硬度值完全符合設(shè)計要求。

表2 布氏硬度檢查結(jié)果 HB

1.7 組織分析

對葉片疲勞裂紋附近區(qū)域基體進行取樣并制備為金相試樣后，再對其組織形貌進行分析，結(jié)果如圖8所示。葉片組織為α+β 雙態(tài)組織，未見明顯異常。

圖8 葉片組織圖像

1.8 有限元分析

為明確振動疲勞試驗狀態(tài)下葉片相對振動應(yīng)力分布及第1 階固有頻率，本文利用Ansys 有限元分析軟件對葉片進行振動特性分析。采用Solid186 實體單元類型對葉片有限元模型劃分網(wǎng)格，共劃分14816個單元和73675個節(jié)點，如圖9所示。

圖9 葉片有限元模型

在振動疲勞摸底試驗中，采用“上緣板固支，下緣板自由”的邊界約束條件，獲取葉片1 彎振型下的疲勞極限，有限元數(shù)值分析中邊界約束條件與振動疲勞試驗狀態(tài)一致。而在實際工作狀態(tài)中，靜子葉片上緣板與機匣的T 型槽插接固定，下緣板則插接在靜子內(nèi)環(huán)上，如圖10所示。試驗狀態(tài)與靜子葉片實際工作狀態(tài)的邊界存在差異，但可獲取葉片的1 彎疲勞極限數(shù)據(jù)，達到試驗?zāi)康?。有限元分析結(jié)果如圖11 所示故障葉片第1 階最大振動應(yīng)力分布在葉片葉盆側(cè)前緣靠近上緣板表面，與葉片疲勞起源位置相一致。

圖10 靜子葉片裝配

圖11 葉片第1階振動應(yīng)力分布

2 分析與討論

（1）故障葉片裂紋斷口疲勞源區(qū)未見明顯的冶金缺陷；材質(zhì)分析符合標準要求。說明故障葉片裂紋的萌生與材質(zhì)和冶金缺陷無關(guān)。

（2）由斷口宏、微觀分析結(jié)果可知，故障葉片斷口潔凈、平坦、光滑，可見疲勞弧線與放射棱線，擴展區(qū)可見細密的疲勞條帶，表明該葉片斷口性質(zhì)為高周疲勞[13-14]。

（3）葉片有限元應(yīng)力分析結(jié)果表明，葉片第1 階彎曲振動最大振動應(yīng)力部位位于葉片葉盆側(cè)前緣靠近上緣板表面處，與疲勞起源位置重合。當葉片第1階最大振動應(yīng)力部位表面存在劃痕時，會降低葉片表面完整性，加劇應(yīng)力集中，促進疲勞裂紋的萌生[15-17]。

（4）振動光飾磨粒檢查結(jié)果表明，磨粒表面光滑度不符合標準要求，振動光飾機中有新添加的磨粒，新舊磨粒之間相互摩擦?xí)r間不夠，導(dǎo)致新添加磨粒各棱邊不夠圓滑，存在棱角。在葉片進行振動光飾時，存在棱角的磨粒劃傷葉片表面，破壞表面完整性，降低抗疲勞性能。

綜上所述，在進行葉片振動光飾時，存在棱角的磨粒與葉片源區(qū)附近表面摩擦所產(chǎn)生的劃痕是導(dǎo)致疲勞裂紋萌生的主要原因。

3 結(jié)論及建議

（1）某型風(fēng)扇靜子葉片裂紋的性質(zhì)為高周疲勞，呈多源線性特征；

（2）故障葉片源區(qū)附近表面的劃痕是在振動光飾過程中，有棱角的磨粒與葉片相互摩擦生成的；

（3）葉片源區(qū)附近表面劃痕對疲勞裂紋的萌生起促進作用；

（4）裂紋萌生與材質(zhì)和冶金缺陷無關(guān)。

建議嚴格控制振動光飾磨粒表面狀態(tài)，避免在振動光飾時磨粒劃傷葉片表面；對振動光飾后的葉片表面進行噴丸處理，以改善葉片表面質(zhì)量，增大表面殘余壓應(yīng)力，提高葉片抗疲勞性能。