劉麗玉,金向明,陳 俊,高翔宇

(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院,航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)航空工業(yè)失效分析中心,北京100095;2.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所,株洲 412002)

0 引 言

從20世紀(jì)50年代至今,航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)不斷朝著結(jié)構(gòu)緊湊化和高性能化方向發(fā)展。為了追求最短的時(shí)間、最少的投入和最低的成本,大多航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司都在基礎(chǔ)型發(fā)動(dòng)機(jī)之上,采用新工藝、新材料和新技術(shù)改進(jìn)氣動(dòng)設(shè)計(jì)和部件結(jié)構(gòu),以提高渦輪前溫度或增大流量,走上系列化發(fā)展渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的道路[1]。對(duì)于渦輪葉片的改型設(shè)計(jì),除了通過(guò)選材提高葉片的承溫能力,更重要的是葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),比如內(nèi)部冷卻空腔、氣膜孔等設(shè)計(jì),然而這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)勢(shì)必帶來(lái)應(yīng)力集中等問(wèn)題。應(yīng)力集中的存在會(huì)顯著降低材料的疲勞強(qiáng)度[2-6]。對(duì)于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上燃?xì)鉁u輪葉片這一類(lèi)帶結(jié)構(gòu)因素的零部件,很難直接進(jìn)行疲勞試驗(yàn),更多的是需要通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)評(píng)估該處的應(yīng)力集中效應(yīng),從而確定零部件的可靠性。然而,在工程實(shí)際中大多機(jī)械零部件可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)并沒(méi)有考慮零件的應(yīng)力集中情況[7],或者很難確定出現(xiàn)應(yīng)力集中時(shí)的極限狀態(tài)函數(shù)的顯式,因此出現(xiàn)了很多因?yàn)閼?yīng)力集中而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)破壞和工程失效問(wèn)題[8-9]。所以,研究結(jié)構(gòu)件由應(yīng)力集中帶來(lái)的工程失效問(wèn)題,對(duì)于零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有十分重要的工程指導(dǎo)作用。

某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在廠內(nèi)整機(jī)試驗(yàn)運(yùn)行至656.4 h時(shí),其燃?xì)鉁u輪工作葉片在榫頭伸根段發(fā)生斷裂,打傷動(dòng)力渦輪葉片,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管?chē)娀?。該燃?xì)鉁u輪工作葉片的材料為DZ125定向高溫合金,榫頭伸根段設(shè)計(jì)了空心內(nèi)腔的冷卻結(jié)構(gòu)。為了找到葉片斷裂原因,作者采用熒光檢測(cè)、宏微觀形貌觀察、應(yīng)力分布模擬等方法,對(duì)其進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀斷裂形貌及裂紋檢測(cè)結(jié)果

整臺(tái)燃?xì)鉁u輪共有43件葉片,發(fā)生故障后分解檢查發(fā)現(xiàn):8#葉片在榫頭伸根段處沿橫向發(fā)生斷裂,整個(gè)葉身斷裂飛出,導(dǎo)致其他42件葉片出現(xiàn)由葉背一側(cè)向葉盆一側(cè)的擊打變形,并且進(jìn)氣邊葉尖因受8#葉片碎塊側(cè)擊發(fā)生局部斷裂而缺失;斷裂的8#葉片榫頭部分殘留在榫槽內(nèi),觀察殘留部分發(fā)現(xiàn),葉片排氣邊一側(cè)在伸根段斷裂,進(jìn)氣邊一側(cè)在緣板位置斷裂,見(jiàn)圖1。經(jīng)熒光檢查發(fā)現(xiàn),其余42件葉片中有3件葉片在與8#葉片斷裂部位相近的位置(排氣側(cè)伸根段相同高度處)存在熒光線性顯示,即存在裂紋。其中:編號(hào)21#和43#葉片的裂紋位于排氣側(cè)榫頭端面,裂紋斜向穿過(guò)減重孔,長(zhǎng)度約為5 mm,兩側(cè)均未擴(kuò)展至葉背側(cè)和葉盆側(cè),如圖2(a)所示;編號(hào)23#葉片的裂紋位于葉背面排氣邊側(cè)伸根段,呈彎折狀沿橫向分布,長(zhǎng)度約為4 mm,沿排氣側(cè)端面延伸,如圖2(b)所示。

圖1 燃?xì)鉁u輪8#葉片的宏觀斷裂形貌Fig.1 Fracture marcomorphology of gas turbine 8# blade

圖2 未斷裂葉片排氣側(cè)榫頭端面線性熒光顯示形貌Fig.2 Linear fluorescence morphology of blade exhaust side tenon end face of unfractured blades: (a) 43# blade and (b) 23# blade

由于葉片裂紋起源于內(nèi)腔,如果裂紋擴(kuò)展距離較短,未穿透葉片至外表面,則無(wú)法通過(guò)熒光檢查判斷是否開(kāi)裂。為了確認(rèn)未檢出裂紋的葉片是否存在開(kāi)裂,隨機(jī)挑選了2件燃?xì)鉁u輪工作葉片,在裂紋起始部位附近進(jìn)行縱向剖切,觀察伸根段冷卻腔內(nèi)表面,發(fā)現(xiàn)2件葉片均在排氣側(cè)內(nèi)腔通道表面出現(xiàn)多條斷續(xù)狀裂紋,如圖3所示。

圖3 外表面無(wú)裂紋葉片的伸根段冷卻腔內(nèi)表面形貌Fig.3 Surface morphology of cooling chamber of extended root section of blade without cracks on outer surface

1.2 斷口形貌

采用LEICA DMS 1000型體視顯微鏡觀察8#葉片斷口形貌。由圖4可見(jiàn):在8#葉片排氣側(cè)有長(zhǎng)約9 mm的平坦斷面,呈現(xiàn)疲勞弧線特征,為疲勞斷裂區(qū),該區(qū)約占整個(gè)斷面面積的30%;進(jìn)氣側(cè)斷面粗糙,起伏較大,為瞬斷區(qū)。根據(jù)斷面宏觀棱線,疲勞裂紋源區(qū)位于排氣側(cè)第一冷卻腔轉(zhuǎn)角處的內(nèi)腔面,呈現(xiàn)大線源特征,裂紋向排氣側(cè)端面擴(kuò)展;葉背側(cè)的斷面由排氣側(cè)斷面疲勞裂紋擴(kuò)展形成,在第一冷卻腔和第二冷卻腔之間的間隔墻附近萌生了次生裂紋,次生裂紋向葉背外表面擴(kuò)展。

圖4 8#葉片斷口宏觀形貌Fig.4 Fracture macromorphology of 8# blade

采用CS3100型掃描電鏡觀察斷口微觀形貌。由圖5可見(jiàn):8#葉片排氣側(cè)端面的疲勞裂紋源區(qū)呈現(xiàn)大線源特征,未見(jiàn)冶金缺陷;裂紋擴(kuò)展中后期出現(xiàn)鋸齒狀類(lèi)解理臺(tái)階面和羽毛狀放射棱線,局部位置可見(jiàn)清晰細(xì)密的疲勞條帶特征。由此判斷,8#葉片發(fā)生了疲勞斷裂,且起裂應(yīng)力較大。

圖5 8#葉片斷口微觀形貌Fig.5 Fracture micromorphology of 8# blade: (a) low magnification morphology of crack source; (b) high magnification morphology of crack source and (c) fatigue strip morphology on mid-stage of crack growth

將21#葉片伸根段裂紋打開(kāi),采用CS3100型掃描電鏡觀察斷面形貌。由圖6可知:裂紋斷面上存在疲勞弧線,說(shuō)明發(fā)生疲勞開(kāi)裂,裂紋源位于排氣側(cè)伸根段第一冷卻腔表面;裂紋源區(qū)呈現(xiàn)數(shù)個(gè)分散弧形區(qū),說(shuō)明萌生了多條微裂紋,裂紋由微裂紋擴(kuò)展連貫而成。未斷裂21#葉片和斷裂8#葉片的開(kāi)裂性質(zhì)和裂紋源位置一致,可見(jiàn)斷裂葉片和開(kāi)裂葉片的失效基本相同。

圖6 21#葉片裂紋斷面整體形貌和裂紋源區(qū)高倍形貌Fig.6 Overall morphology of crack face (a) and high magnification morphology of crack source (b) of 21# blade

將外表面無(wú)裂紋葉片伸根段冷卻腔內(nèi)表面裂紋(未擴(kuò)展至外表面)打開(kāi),由圖7可見(jiàn)開(kāi)裂性質(zhì)為疲勞。綜上可知,該發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪工作葉片在伸根段開(kāi)裂是普遍現(xiàn)象,且裂紋性質(zhì)和特點(diǎn)一致。

圖7 外表面無(wú)裂紋葉片伸根段冷卻腔內(nèi)表面裂紋斷面形貌Fig.7 Crack face morphology on inner surface of cooling chamber of extended root section of blade without cracks on outer furface

1.3 顯微組織

在其中1件冷卻腔內(nèi)表面開(kāi)裂的葉片上,沿裂紋處縱剖金相試樣,磨拋后使用高溫合金腐蝕劑(10 g CuSO4+50 mL HCl+50 mL H2O)進(jìn)行腐蝕,采用Olympus GX51型光學(xué)顯微鏡和CS3100型掃描電鏡觀察開(kāi)裂葉片冷卻腔內(nèi)表面裂紋擴(kuò)展形貌和基體顯微組織。由圖8可知:裂紋處于冷卻腔轉(zhuǎn)接過(guò)渡不良處,深度在60～70 μm;裂紋處基體組織未見(jiàn)疏松等冶金缺陷,γ′相未見(jiàn)回溶現(xiàn)象,組織未見(jiàn)超溫現(xiàn)象。

圖8 開(kāi)裂葉片冷卻腔內(nèi)表面裂紋的擴(kuò)展形貌和基體顯微組織Fig.8 Crack propagation morphology (a) and microstructure of matrix (b) on inner surface of cooling chamber of cracked blade

2 開(kāi)裂原因分析

整臺(tái)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的43件燃?xì)鉁u輪工作葉片中,1件葉片在榫頭伸根處發(fā)生斷裂,3件未斷裂葉片經(jīng)熒光檢查發(fā)現(xiàn)在相近位置發(fā)生開(kāi)裂,且斷裂葉片的斷口和含裂紋葉片裂紋打開(kāi)后形成的斷口均存在典型的疲勞特征,裂紋均起源于排氣側(cè)內(nèi)部第一冷卻腔表面。剖切后發(fā)現(xiàn)其他熒光檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋的葉片在與斷裂葉片裂紋源相同的部位(排氣側(cè)內(nèi)部第一冷卻腔表面)均出現(xiàn)裂紋,且裂紋斷面特征和8#斷裂葉片斷口相似。因此分析認(rèn)為,燃?xì)鉁u輪工作葉片的開(kāi)裂機(jī)制相同,均為疲勞導(dǎo)致的開(kāi)裂。

所有葉片裂紋起源位置相同,均在榫頭伸根段靠排氣側(cè)的第1個(gè)冷卻通道出現(xiàn)轉(zhuǎn)接的位置,裂紋長(zhǎng)度不一,但裂紋源區(qū)特征均為大應(yīng)力起源特征(大線源或多線源);裂紋擴(kuò)展到一定階段后由大應(yīng)力擴(kuò)展特征轉(zhuǎn)為高周疲勞擴(kuò)展特征(出現(xiàn)鋸齒狀類(lèi)解理臺(tái)階面和羽毛狀放射棱線)[10],且疲勞條帶細(xì)密。這說(shuō)明裂紋萌生時(shí),局部應(yīng)力高,即呈現(xiàn)大應(yīng)力起源,而擴(kuò)展一定階段后的交變應(yīng)力相對(duì)低。整體看,斷裂葉片疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的面積相對(duì)較小,該部位應(yīng)力水平整體較高[11]。同臺(tái)葉片隨機(jī)抽檢結(jié)果顯示,在排氣側(cè)第一冷卻腔轉(zhuǎn)角處的內(nèi)腔表面部位均出現(xiàn)開(kāi)裂,表明該部位的大應(yīng)力疲勞開(kāi)裂是普遍現(xiàn)象,因此重點(diǎn)對(duì)其大應(yīng)力的原因進(jìn)行分析。

榫頭部位設(shè)計(jì)的冷卻通道結(jié)構(gòu)在起源位置出現(xiàn)較大角度的轉(zhuǎn)角,這種結(jié)構(gòu)的突變?nèi)菀自斐珊艽髴?yīng)力集中,但在前期設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)未考慮應(yīng)力集中問(wèn)題。采用ANSYS軟件對(duì)葉片進(jìn)行建模,劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件后進(jìn)行應(yīng)力分布計(jì)算。由圖9可知,在同等邊界條件和外加載荷下,該型葉片榫頭內(nèi)腔轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力水平較大,最大應(yīng)力達(dá)到2 036.7 MPa,是參考型號(hào)燃?xì)鉁u輪工作葉片(榫頭部位同樣設(shè)計(jì)了冷卻結(jié)構(gòu))最大應(yīng)力的2倍。有限元計(jì)算結(jié)果說(shuō)明該型葉片榫頭冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不佳,導(dǎo)致故障部位應(yīng)力水平過(guò)高。綜上,故障部位應(yīng)力水平高是導(dǎo)致燃?xì)鉁u輪葉片斷裂和開(kāi)裂的原因。后進(jìn)行設(shè)計(jì)修改冷卻結(jié)構(gòu),加大了轉(zhuǎn)角半徑,經(jīng)廠內(nèi)試車(chē)和外場(chǎng)使用驗(yàn)證,改進(jìn)后的葉片再未出現(xiàn)開(kāi)裂故障,榫頭位置的應(yīng)力明顯降低。

圖9 模擬得到燃?xì)鉁u輪工作葉片的應(yīng)力云圖Fig.9 Simulation stress nephogram of gas turbine working blade:(a) faulty type and (b) reference type

3 結(jié) 論

(1) 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪葉片在榫頭伸根段發(fā)生疲勞斷裂,疲勞裂紋起源于榫頭伸根段排氣側(cè)內(nèi)部第一冷卻腔內(nèi)表面。

(2) 該型葉片的榫頭冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未考慮應(yīng)力集中問(wèn)題,其冷卻通道出現(xiàn)較大轉(zhuǎn)角,導(dǎo)致該位置應(yīng)力水平過(guò)高,這是燃?xì)鉁u輪葉片斷裂和開(kāi)裂的原因;加大轉(zhuǎn)角半徑對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后,應(yīng)力水平下降,試運(yùn)行時(shí)葉片再未出現(xiàn)開(kāi)裂故障。