王 輝

(航發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)(株洲)有限公司, 湖南 株洲 412000)

燃?xì)廨啓C(jī)是一種服役時(shí)需承受嚴(yán)酷氣動(dòng)負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷和高溫負(fù)荷,同時(shí)又要求具有高耐久性的熱動(dòng)力機(jī)械[1-4]。R20燃?xì)廨啓C(jī)是WJ6航空發(fā)動(dòng)機(jī)改型而來,是一款以焦?fàn)t煤氣、天然氣、馳放氣及黃磷尾氣為燃料的航改型燃?xì)廨啓C(jī)。其燃料可選范圍廣、氣質(zhì)要求低,具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng),深受用戶青睞。至今已為用戶提供約200臺(tái),機(jī)組大修周期最高超過2萬(wàn)h。

葉片失效是發(fā)動(dòng)機(jī)的常見失效形式之一[5-6]。燃?xì)廨啓C(jī)渦輪工作葉片在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作,不僅要承受復(fù)雜的作用力和熱負(fù)荷,還要承受環(huán)境介質(zhì)的腐蝕與氧化,其工作環(huán)境十分惡劣,因而出現(xiàn)失效的概率較高[7-8]。深入分析研究渦輪葉片失效原因,總結(jié)失效特點(diǎn)和規(guī)律,對(duì)于提高燃?xì)廨啓C(jī)制造水平,確保電站安全運(yùn)行意義重大。本文就其中一種斷裂失效情況進(jìn)行分析。

本次事故燃?xì)廨啓C(jī)渦輪工作葉片材料為GH4033變形高溫合金,用于800 ℃以下服役的渦輪工作葉片。

1 故障情況

某電站燃燒焦?fàn)t煤氣進(jìn)行發(fā)電,燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行了8 000 h突然振動(dòng)加大并跳機(jī),停機(jī)后再次冷轉(zhuǎn)振動(dòng)即達(dá)到3.5 mm/s2(重力加速度測(cè)振)。手觸摸燃燒室機(jī)匣有明顯振感,手動(dòng)盤車時(shí)發(fā)現(xiàn)有異響,經(jīng)過工業(yè)內(nèi)窺鏡孔探檢查發(fā)現(xiàn)渦輪第三級(jí)動(dòng)葉葉片斷裂,經(jīng)協(xié)商決定將該燃?xì)廨啓C(jī)返廠分解,分解后排除了異物擊傷及超溫故障,找到首斷件后對(duì)葉片斷裂做原因分析。

2 外觀檢查

2.1 斷口宏觀檢查

對(duì)葉片進(jìn)行了編號(hào),首斷件是在榫齒處斷裂的葉片,將其編號(hào)為1,斷裂位置在緣板下方第一榫齒根部,其葉身部分已無法找到。另外兩個(gè)用來對(duì)比分析的故障機(jī)第二級(jí)葉片分別編號(hào)為 2和3,其葉身根部R處上緣及靠近葉尖的位置被打傷,如圖1所示。

(a) 斷裂處

1號(hào)葉片斷口整體形貌見圖2(圖3為斷口局部放大),從葉盆側(cè)進(jìn)氣邊交界處向葉背側(cè)排氣邊的斷口表面上存在多條弧形區(qū),區(qū)內(nèi)斷面較為平坦,為疲勞擴(kuò)展區(qū)域。區(qū)域內(nèi)有明顯的金屬氧化痕跡,這與裂紋張開后在高溫條件下空氣進(jìn)入有關(guān)。根據(jù)以上斷口宏觀形貌,大致判斷疲勞裂紋在葉盆側(cè)進(jìn)氣邊交界區(qū)域內(nèi)萌生,并且瞬斷區(qū)占比約大于50%,表明葉片該部位承受載荷較大。

圖3 1號(hào)葉片斷口局部放大形貌

開裂位置對(duì)應(yīng)榫齒面的形貌,隱約可見疲勞弧線,見圖4箭頭1指示位置。第一榫齒面上存在磨損形貌,與第二榫齒面形貌相比,磨損情況更為嚴(yán)重,圖4中箭頭3指示為磨損區(qū)域和未磨損區(qū)域的交界線。根據(jù)以上特征,判斷疲勞源區(qū)位于圖4中箭頭2指示的區(qū)域,在葉盆側(cè)距離進(jìn)氣邊 3～4 mm 的表面研磨區(qū)域交界處,疲勞源區(qū)進(jìn)一步放大形貌見圖5,箭頭指示的疲勞源區(qū)域的磨損情況較為嚴(yán)重,箭頭指示的未磨損區(qū)域存在表面噴丸處理的痕跡。

圖4 開裂位置對(duì)應(yīng)榫齒面的放大形貌

圖5 疲勞源區(qū)進(jìn)一步放大形貌

2.2 微觀檢查

圖6(a)是斷口面上距離進(jìn)氣邊和葉盆面交界處0～2.2 mm范圍內(nèi)的形貌,方框內(nèi)的放大形貌見圖6(b)。在斷口小平面上能夠觀察到明顯的疲勞條帶,見圖6(b)中箭頭指示位置,通過疲勞條帶可以推測(cè)疲勞源區(qū)在該視場(chǎng)的左側(cè)。

圖7(a)是第一榫齒接觸面區(qū)域整體微觀形貌,右側(cè)框區(qū)域距交界處約為2.5 mm,形貌見圖7(b), 僅在100倍下便可在靠近疲勞源區(qū)400 μm的區(qū)域內(nèi)觀察到疲勞條帶,說明裂紋萌生后在較大的應(yīng)力下擴(kuò)展。圖7(b)靠近外表面可見反復(fù)研磨的特征,見黑色箭頭指示位置,是疲勞裂紋在萌生后反復(fù)張開、閉合相互擠壓所致。圖7(c)是圖7(a)中左側(cè)框區(qū)域內(nèi)的放大形貌,距離交界處約3.5 mm, 該區(qū)域同樣存在從榫齒面向外擴(kuò)展的疲勞條紋。 結(jié)合圖6(b)、圖7(b)和圖7(c)形貌,可判斷疲勞源為線源,并非從一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)萌生疲勞裂紋,疲勞源區(qū)位于磨損與未磨損區(qū)域的交界線。圖7(d)是疲勞條帶的放大形貌。圖7(e) 是疲勞擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)交界位置的形貌,瞬斷區(qū)主要以沿晶斷裂形貌為主。

(a) 第一榫齒接觸面區(qū)域整體微觀形貌

(b) 右側(cè)框區(qū)域內(nèi)的放大形貌

(c) 左側(cè)框區(qū)域內(nèi)的放大形貌

(d) 疲勞條帶的放大形貌

(e) 疲勞擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)交界位置的形貌圖7 第一榫齒斷口形貌

2.3 金相檢查

為了確定榫齒表面研磨區(qū)域下方的金相組織變化,在線性疲勞源區(qū)域內(nèi)垂直于斷口切割金相樣品,并在拋光態(tài)檢查金相組織。從截面看,榫齒接觸面上存在多處凹坑,見圖8(a) 和8(b) 中箭頭指示位置。凹坑邊緣和底部存在塑性變形痕跡和微裂紋,見圖 8(c) 和 8(d)中箭頭標(biāo)記位置。

(a) 榫齒接觸面(低倍)

(b) 榫齒接觸面(高倍)

(c) 凹坑邊緣

(d) 凹坑底部圖8 拋光態(tài)形貌

圖9是1和2號(hào)葉片的金相組織形貌,通過多視場(chǎng)對(duì)比2和1號(hào)斷裂葉片榫齒相同部位晶粒度,晶粒尺寸相當(dāng)均為3級(jí),碳化物強(qiáng)化相分布形態(tài)相同。

(a) 1號(hào)葉片

(b) 2號(hào)葉片圖9 葉片榫齒相同部位晶粒度對(duì)比

由圖10 可見γ′ 相有相對(duì)粗大的立方形和細(xì)小球形兩種形態(tài),局部有形成立方陣列趨勢(shì)。GH4033為變形高溫合金,γ/γ′ 相晶格錯(cuò)配度小,性能熱處理后γ′相應(yīng)呈球形均勻分布。圖10所示形態(tài)是由于長(zhǎng)期使用后,γ′ 相長(zhǎng)大到較大尺寸引起晶格錯(cuò)配效應(yīng),使部分γ′ 相由球形轉(zhuǎn)變成立方形進(jìn)而再轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎疥嚵行螒B(tài)。

(a) 5 000倍

(b) 10 000倍圖10 微觀γ′相形態(tài)

2.4 力學(xué)性能

在被打傷的3號(hào)葉片中切取2根M6×Φ3的拉伸試樣,分別記為A和B試樣,在室溫條件下進(jìn)行拉伸性能測(cè)試,結(jié)果如表1。根據(jù)表中結(jié)果說明服役8 000 h后,葉片塑性出現(xiàn)下降。

表1 拉伸性能測(cè)試結(jié)果

2.5 其他葉片榫齒面形貌檢查

根據(jù)以上宏觀形貌分析,確定1號(hào)葉片過早地發(fā)生疲勞斷裂,與第一榫齒表面發(fā)生的異常磨損有關(guān)。為進(jìn)一步驗(yàn)證,在體視鏡下將2號(hào)和3號(hào)葉片葉盆側(cè)第一榫齒面的磨損情況與1號(hào)葉片進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見圖11,可見1號(hào)葉片第一榫齒面的磨損情況更為嚴(yán)重。

3 結(jié)果分析與討論

宏觀檢查結(jié)果顯示:1號(hào)葉片在葉盤面進(jìn)氣邊緣板下方第一榫齒面上斷裂。失效性質(zhì)為疲勞,疲勞源區(qū)為線源,疲勞裂紋在榫齒面上的研磨區(qū)域邊緣萌生,疲勞擴(kuò)展區(qū)占斷口總面積約1/2,第一榫齒根部存在噴丸處理形貌,見圖2至圖5。

微觀檢查結(jié)果顯示:1號(hào)葉片疲勞源區(qū)對(duì)應(yīng)榫齒表面存在擠壓變形和往復(fù)研磨的痕跡,在掃描電鏡100倍的放大倍數(shù)下,靠近疲勞源區(qū)僅400 μm的區(qū)域內(nèi)可以觀察到疲勞條紋,說明裂紋擴(kuò)展時(shí)應(yīng)力較大,見圖7(b)。對(duì)比2和3號(hào)葉片的相同位置,1號(hào)葉片第一榫齒面研磨情況較為嚴(yán)重,見圖11。緣板下方第一榫齒面通常承受著較大的工作應(yīng)力,微動(dòng)磨損最常在葉片榫齒與渦輪盤榫槽的樅樹型配合區(qū)域出現(xiàn),噴丸處理是最有效的提升疲勞壽命的方法。材料表面因微動(dòng)損傷出現(xiàn)的裂紋通常在磨痕兩側(cè),與斷口觀察到疲勞源區(qū)位置相符。

(a) 1號(hào)

(b) 2號(hào)

(c) 3號(hào)圖11 各葉片榫齒面形貌對(duì)比

金相檢查結(jié)果顯示:1號(hào)葉片疲勞源區(qū)縱截面的金相組織檢查中發(fā)現(xiàn)存在多處表面凹坑,局部地方存在微小裂紋。1號(hào)和2號(hào)葉片榫頭區(qū)域的金相組織無明顯差別,晶粒度均為3級(jí)。

雖然2號(hào)葉片在使用后發(fā)生組織變化,導(dǎo)致拉伸塑性指標(biāo)下降,但對(duì)比1號(hào)和2號(hào)葉片榫頭的洛氏硬度值無明顯差別,均在國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi),符合正常熱處理工藝要求,故判斷1號(hào)葉片過早發(fā)生疲勞斷裂與力學(xué)性能差異無關(guān)。

根據(jù)以上結(jié)果,對(duì)比被打傷的2號(hào)和3號(hào)葉片的第一榫齒面的磨損形貌,1號(hào)葉片失效與榫齒面和榫槽面之間出現(xiàn)的微動(dòng)磨損有關(guān),導(dǎo)致疲勞裂紋在磨損邊緣萌生。

4 結(jié)論

(1) 葉片的失效原因?yàn)槠?在緣板下方第一榫齒面上開裂,疲勞源為線源,在葉盆側(cè)距離進(jìn)氣邊 3～4 mm 的表面研磨區(qū)域交界處。對(duì)比2和3號(hào)葉片的相同位置,1號(hào)葉片第一榫齒面研磨情況較為嚴(yán)重,研磨區(qū)域內(nèi)含有較高的鐵和氧元素,與榫齒面和渦輪盤榫槽面發(fā)生微動(dòng)磨損有關(guān),導(dǎo)致疲勞裂紋過早地萌生。

(2) 從宏觀上觀察斷口的疲勞擴(kuò)展區(qū)比例、疲勞條紋寬度和疲勞條紋出現(xiàn)位置,判斷為高周疲勞且疲勞裂紋擴(kuò)展應(yīng)力較高。

(3) 與被打傷的2號(hào)葉片相比,1號(hào)葉片榫頭的金相組織和晶粒度未見差別,化學(xué)成分和硬度均符合國(guó)內(nèi)資料中要求值。長(zhǎng)期使用后發(fā)生性能衰退,拉伸塑性指標(biāo)下降會(huì)引起斷裂韌性降低,微觀存在γ′相發(fā)生聚集長(zhǎng)大,形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎叫?。微?dòng)疲勞影響因素眾多,主要因素有微動(dòng)幅值、接觸面擠壓應(yīng)力、表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力、接觸幾何、材料特性、溫度等。經(jīng)過長(zhǎng)期使用后已無法探究初始狀態(tài),很多因素已無法分析,接觸面擠壓應(yīng)力可通過強(qiáng)度計(jì)算分析。