王文杰, 蔡文波

(海軍裝備部, 遼寧 大連 116083)

壓氣機轉子葉片是燃氣渦輪發(fā)動機重要零部件之一,數(shù)量多、形狀復雜、性能要求高、制造難度大,其工作可靠性直接影響發(fā)動機的整機安全和可靠性[1-3]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,葉片斷裂故障是導致發(fā)動機出現(xiàn)重大故障的最主要原因。某型航空發(fā)動機自裝備以來,葉片故障占發(fā)動機事故征候以上等級故障的半數(shù)以上[4-5]。某型航空發(fā)動機是雙轉子渦輪風扇內外涵道混合加力式發(fā)動機。在一次起飛過程中,該型發(fā)動機因葉片發(fā)生斷裂故障中斷起飛。檢查發(fā)現(xiàn)左發(fā)動機低壓壓氣機第2級轉子葉片中的1片從根部折斷,其余葉片均有不同程度損傷。進一步對故障葉片進行宏觀及金相微觀檢查,發(fā)現(xiàn)在葉片斷口起始部位有1個凹坑。查該發(fā)動機履歷,該級葉片在發(fā)動機整機大修時進行過例行性修理,修理流程為:初檢—化洗—熒光—標記壽命—故檢(故障檢查)—恢復疲勞強度(即噴丸)—表面防護。

疲勞失效是轉子葉片中最常見的失效模式,引起葉片疲勞失效的原因多種多樣,包括葉片強度降低、共振、外物打傷、材質缺陷、微動損傷、葉尖碰摩等[6]。劉國庫等[7]針對某型燃氣輪機壓氣機轉子葉片斷裂故障,利用故障樹的排查方法,從材料、設計、工藝、冶金、實物制造、使用等方面進行了詳細的排查,發(fā)現(xiàn)轉子、靜子不同心導致偏摩是故障發(fā)生的主要原因,而故障葉片根部的加工刀痕且噴丸覆蓋不完全,促進了裂紋的萌生。卜嘉利等[8]在某型發(fā)動機風扇轉子葉片第 1 階彎曲振型下進行振動疲勞試驗,發(fā)現(xiàn)葉片榫頭和葉身處有裂紋萌生。高志坤等[9]發(fā)現(xiàn)在發(fā)動機工作過程中葉尖與機匣異常碰摩,使葉片承受非正常沖擊載荷是導致故障葉片產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因,榫齒的微動磨損對裂紋萌生起促進作用。潘輝等[10]介紹了葉片外物損傷試驗模擬方法(含機械加工缺口法、低速沖擊法、準靜態(tài)擠壓法和高速彈道沖擊法等)的基本原理、優(yōu)缺點及應用情況。Dunham等[11]首次運用機械加工缺口法在鋼、鈦、鋁 3 種材料的真實葉片上模擬了葉片外物損傷,研究了在1彎振型下?lián)p傷葉片的疲勞強度。

本文通過對該型發(fā)動機低壓壓氣機第2級轉子葉片故障斷口外觀檢查、宏觀形貌觀察、表面檢查、成分分析、金相組織檢查、強度計算等方式進行分析,確定了故障葉片的失效模式及原因,提出了改進建議。

1 檢查與分析結果

1.1 外觀檢查

該型發(fā)動機低壓壓氣機共5級轉子葉片,第2、3、4級轉子葉片均為銷釘孔式連接結構的鋁葉片組件,孔內壓裝有銅套,以提高銷孔的耐磨性。葉片材料均為LD7-1,表面涂有ES205耐熱涂料。銅套材料均為QAL10-4-4。銷釘材料均為3Cr13。葉片通過銷釘與壓氣機盤(材料為TC11)連接[12]。

將發(fā)動機分解至盤和葉片組件狀態(tài),目視檢查低壓壓氣機各級靜子、轉子葉片均有不同程度損傷。低壓壓氣機第2級轉子葉片中的1片從葉身根部斷裂,斷裂葉身未發(fā)現(xiàn),斷口目視觀察有明顯疲勞特征,分析認為是首斷件[13]。故障件損傷情況見圖1、圖2。

圖2 第2級轉子葉片斷件

1.2 斷口宏觀觀察

1.2.1 宏觀觀察

低壓壓氣機第2級轉子葉片斷裂位于葉根附近轉接圓弧處,斷口高差較大,可分為A、B兩個區(qū):A區(qū)為疲勞裂紋擴展區(qū),靠近進氣邊一側,尺寸約37 mm×8 mm,占整個斷面的40%,斷面較平坦,可見明顯擴展棱線和疲勞弧線,棱線收斂方向顯示源區(qū)位于距進氣邊約15 mm處葉背表面,單源起始;B區(qū)斷面粗糙,為瞬斷區(qū)。斷口宏觀形貌見圖3、圖4。

圖3 葉片斷口宏觀形貌

圖4 葉片斷口側面宏觀形貌

1.2.2 體視鏡觀察

起源區(qū)斷面有白色物質,該物質與葉片表面漆層相連,顏色相近;起源區(qū)側面漆層完整無裂紋,僅輕微凹陷,深度約為0.05 mm,見圖5。經(jīng)除漆處理后放大觀察,起源處白色物質已去除,呈半圓形凹坑特征,凹坑內表面形貌與葉片表面形貌相似,最大寬度×最大深度約為0.50 mm×0.17 mm,見圖6。

圖5 斷口起源區(qū)低倍形貌

圖6 斷口面觀察凹陷形貌

1.3 斷口微觀觀察

掃描電鏡斷裂葉片斷口源區(qū)凹坑進行表面形貌觀察,源區(qū)凹坑內表面無斷裂特征,與葉身表面形貌相同,均為粗糙的噴丸表面,見圖7、圖8。

圖7 凹坑表面高倍形貌

1.4 表面檢查

除漆前對白色物質進行能譜分析,其中Ti和Si為表面漆層成分元素,說明損傷凹坑內白色物質為漆層;Cr、S元素應來源于表面防護工序中的氧化過程。

除漆后采用掃描電鏡對葉片疲勞源區(qū)附近進行觀察,疲勞裂紋起源于損傷凹坑邊緣,擴展區(qū)可見疲勞條帶及弧線特征,瞬斷區(qū)為韌窩特征,表明故障葉片斷口應為疲勞斷口[14-15],見圖9。

1.5 成分分析

利用能譜分析儀對除漆后的凹坑區(qū)域進行面掃描,Ti和Si為局部殘留的漆層成分元素,Cr元素來源于表面防護工序的氧化過程,其他元素及含量符合葉片基體LD7-1的標準。

1.6 硬度測試

對故障葉片斷口起源區(qū)、葉根、榫頭及同級葉片葉身進行硬度測試,結果均符合葉片基體LD7-1的標準。

1.7 金相檢查

在故障葉片葉根、榫頭及同級別葉片葉身斷口起源區(qū)取樣進行組織檢查,結果均符合葉片基體LD7-1的標準。

1.8 強度計算

葉片損傷是發(fā)動機常見的故障之一,嚴重的損傷引起葉片疲勞斷裂,從而導致發(fā)動機失效。為分析損傷對低壓壓氣機第2級轉子葉片強度的影響,本文采用機械加工缺口法[11,16]進行故障葉片凹坑損傷試驗模擬,進行正常葉片和故障模擬葉片對比計算。

1.8.1 葉片靜應力計算

在工作轉速8 760 r/min下,對比正常葉片和故障模擬葉片應力情況。正常葉片葉身最大靜應力位于葉背根部倒圓位置,應力為178.24 MPa;葉片損傷后因應力集中,故障部位成為葉身應力最大區(qū),應力值為254.56 MPa,相比正常葉片,葉身最大靜應力增加了42.8%。

1.8.2 葉片振動應力計算

相對葉片的尺寸,模擬損傷球形尺寸較小,葉片模態(tài)為1階計算時,正常葉片和故障模擬葉片1階固有頻率分別為223.7 Hz和224.7 Hz,固有頻率基本相同。正常葉片最大振動應力在葉背葉根中部,應力值為8 040 MPa;故障模擬葉片最大應力位置為故障部位,應力值為12 737 MPa,相對正常葉片振動應力增加了58%。

2 失效原因分析

2.1 失效模式

通過對低壓壓氣機第2級轉子葉片斷口的宏觀和微觀檢查表明,故障葉片斷裂性質為疲勞斷裂,疲勞裂紋起源于葉背表面損傷凹坑邊緣,擴展區(qū)可見疲勞條帶及弧線特征,瞬斷區(qū)為韌窩特征。葉身表面損傷凹坑處漆層完整,無破裂現(xiàn)象,可排除外場打傷。斷口微觀檢查凹坑內表面無斷裂特征,與葉身表面形貌相同,均為粗糙的噴丸表面,可判斷凹坑產(chǎn)生于葉片修理過程中,且在恢復疲勞強度(即噴丸)工序之前。

2.2 影響因素分析

疲勞失效原因主要包括葉片強度降低、共振、外物打傷、材質缺陷、微動損傷、葉尖碰摩等[6]。故障葉片損傷凹坑處漆層完整,可排除外物打傷因素;葉身表面硬度、金相組織和材料成分均滿足標準要求,斷口未見冶金缺陷,表明斷裂原因與冶金缺陷和基體材質無關;微動損傷通常發(fā)生在轉子葉片榫頭部位,故障葉片斷裂發(fā)生在葉根,可排除此因素;檢查同級轉子葉片葉尖,葉尖表面完整,可排除葉尖碰摩因素。引起故障葉片疲勞失效的原因只剩強度降低和共振2個因素。

2.2.1 葉片強度因素分析

強度計算結果表明,在工作轉速8 760 r/min下,故障模擬葉片相比正常葉片葉身最大靜應力增加了42.8%;振動計算結果表明,葉片模態(tài)為1階時,正常葉片最大振動應力在葉背葉根中部,故障模擬葉片最大應力位置為故障部位,相對正常葉片振動應力增加了58%。葉片損傷后故障部位靜應力和振動應力均有大幅度增加,疲勞強度明顯下降。

經(jīng)統(tǒng)計,低壓壓氣機第2、3、4級轉子葉片(材料均為鋁合金)報廢原因主要有4類:刻痕打傷、腐蝕麻點、渦流檢查不合格、锪孔后端面腐蝕。報廢類型比率中刻痕打傷和腐蝕麻點占比較高,見圖10。

圖10 低壓壓氣機第2、3、4級轉子葉片報廢類型比率圖示

綜合分析,葉片凹坑損傷后故障部位疲勞強度明顯下降,斷口疲勞裂紋起源于損傷凹坑邊緣,結合該類型葉片以往故障形式,可判斷凹坑損傷是導致葉片斷裂的主要因素。

2.2.2 葉片共振因素分析

低壓壓氣機第2、3、4級轉子葉片均為銷釘孔式連接結構,葉片頻率要求見表1。低壓壓氣機轉子常用轉速為全工況轉速的52%～64.8%(4 740～5 906.5 r/min)時,對應的頻率為79 ～98 Hz,小于葉片1彎頻率,可排除共振引起葉片斷裂可能[17]。

表1 低壓壓氣機第2、3、4級轉子葉片頻率

2.2.3 凹坑產(chǎn)生原因分析

根據(jù)失效分析結論,結合葉片大修過程梳理情況,在葉片除漆后恢復疲勞強度前,安排故檢工序對葉片進行目視檢查,以排除葉身磕碰劃傷等缺陷。按照故檢標準中葉根部位不允許有損傷存在的要求,凹坑在此時應能發(fā)現(xiàn),故重點排查該次故檢后葉片周轉以及噴丸兩個環(huán)節(jié),分析損傷產(chǎn)生的原因。

首先檢查周轉運輸環(huán)節(jié),因第2級轉子葉片尺寸和重量較大,周轉運輸過程使用木質包裝箱,檢查發(fā)現(xiàn)木質包裝箱上的鐵釘和鐵質部件凸出箱體或變形翹曲,在裝箱及運輸過程中存在碰傷葉片的風險。接著排查噴丸工序,查看噴丸過程中使用的工位器具及設備內部結構,未發(fā)現(xiàn)可能造成葉片損傷的風險因素。綜合分析,故障葉片葉根部位凹坑大概率產(chǎn)生于故檢與噴丸工序之間的周轉運輸環(huán)節(jié),在裝箱及運輸過程中葉片意外與箱體鐵質部件磕碰。而噴丸工序后直接進行表面防護(涂漆)工序,該工序的檢驗環(huán)節(jié)重點檢查漆層厚度及質量,未能檢查出該磕碰造成的凹坑缺陷。該缺陷在葉片現(xiàn)有修理工藝中具有較強的隱蔽性。

3 結論

本文從斷口的宏微觀形貌觀察、表面檢查、成分分析、材料組織檢查、硬度檢測和強度計算等多方面對故障葉片進行分析,得到以下結論:

(1) 故障葉片失效性質為疲勞斷裂,與材質和冶金缺陷無關;

(2) 葉根處凹坑缺陷促進了裂紋的萌生,是導致本次葉片斷裂的主要原因;

(3) 凹坑產(chǎn)生于葉片故檢后至噴丸工序之間的周轉運輸環(huán)節(jié),與防護不當有關。

建議在噴丸前增加葉片表面質量檢查工序,并將轉運工裝改為塑料材質并加強防護,以避免葉片碰傷等缺陷產(chǎn)生。