摘 要:某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在完成總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間2081h后進(jìn)行拆解檢查,在一件 TC6鈦合金高壓 壓氣機(jī)Ⅵ級(jí)轉(zhuǎn)子葉片上發(fā)現(xiàn)沿葉片縱向分布有兩條裂紋。通過(guò)宏觀觀察、斷口分析、金相檢驗(yàn)、能 譜分析及硬度測(cè)試等方法對(duì)裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:該裂紋為試車(chē)過(guò)程中產(chǎn)生的疲 勞裂紋。發(fā)動(dòng)機(jī)在完成階段性試車(chē)后進(jìn)行拆解檢查,復(fù)裝后葉尖間隙不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,導(dǎo)致在隨后 的試車(chē)過(guò)程中葉尖與機(jī)匣封嚴(yán)涂層發(fā)生嚴(yán)重刮擦,造成局部超溫、掉塊,形成疲勞裂紋源并最終擴(kuò) 展為裂紋。 

關(guān)鍵詞:壓氣機(jī)葉片;航空發(fā)動(dòng)機(jī);葉尖間隙;疲勞裂紋;刮擦 

中圖分類(lèi)號(hào):TG115.2                  文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                   文章編號(hào):1001-4012(2021)10-0043-04

現(xiàn)代航空飛行器正向著輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、大推重比、 高效率、長(zhǎng)壽命等方向發(fā)展[1],鈦合金以其比強(qiáng)度 高、抗腐蝕性能優(yōu)異、溫度工作范圍較大等優(yōu)點(diǎn),在 航空領(lǐng)域中占有十分重要的地位。鈦合金的應(yīng)用水 平也成為評(píng)價(jià)飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo),在先進(jìn)軍用 飛機(jī)上其用量可占到1/4甚至更高[2]。目前,航空 發(fā)動(dòng)機(jī)中的壓氣機(jī)盤(pán)、壓氣機(jī)葉片、機(jī)匣等關(guān)鍵部件 的材料均為鈦合金[3]。

在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中,風(fēng)扇/壓氣機(jī)部件的 制造成本占到發(fā)動(dòng)機(jī)總制造成本的40%左右。目 前,高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)制造依然是制約發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展 的瓶頸之一[4]。壓氣機(jī)的主要作用是提高進(jìn)入發(fā)動(dòng) 機(jī)內(nèi)的空氣壓力,其評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為增壓比、效率、 外廓尺寸和質(zhì)量等,更高的級(jí)增壓比能夠使結(jié)構(gòu)緊 湊,質(zhì)量減輕,意味著制造成本和維護(hù)成本的下 降[5]。影響壓氣機(jī)級(jí)增壓比的因素很多,其中轉(zhuǎn)子 葉片與機(jī)匣間的葉尖徑向間隙對(duì)壓氣機(jī)氣路密封性 有顯著影響。研究表明[6],間隙與壓氣機(jī)葉片長(zhǎng)度 的比值增加1%,壓氣機(jī)效率損失就增加2%,因此 應(yīng)盡量減小壓氣機(jī)葉尖與靜子部件間的間隙,這也 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的制造精度和傳動(dòng)配合提出了更高的 要求。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際制造應(yīng)用中,出現(xiàn)過(guò)許 多因間隙控制不當(dāng)而使轉(zhuǎn)、靜子部件刮擦從而導(dǎo)致 葉片磨損、涂層材料粘附葉片等嚴(yán)重安全問(wèn)題出現(xiàn), 甚至是安全事故[7]。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的第Ⅵ級(jí)轉(zhuǎn)子葉片是由 TC6鈦合金經(jīng)鍛造后加工成型得到的,合金組織為 典型的α+β雙相組織。發(fā)動(dòng)機(jī)有效試車(chē)2081h后 進(jìn)行拆解檢查,在葉片葉尖處發(fā)現(xiàn)沿葉身縱向分布 的兩條裂紋。筆者通過(guò)一系列檢驗(yàn)和分析找出了裂 紋產(chǎn)生的原因,為發(fā)動(dòng)機(jī)裝配和試車(chē)提供改進(jìn)依據(jù)。

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察 

在體視顯微鏡下觀察葉片裂紋形貌,兩條裂紋 均呈直線(xiàn)狀,一條為貫穿葉尖端面厚度(1.54mm) 的裂紋,長(zhǎng)度約8mm(以下稱(chēng)為1號(hào)裂紋),另一條 裂紋在葉背處(以下稱(chēng)為2號(hào)裂紋),距離1號(hào)裂紋 1.5mm,長(zhǎng)度約1mm。在葉背裂紋附近發(fā)現(xiàn)有明 顯的氧化色,端面呈灰黑色,向內(nèi)逐漸變?yōu)樗{(lán)色,最 大深度在0.7mm 左右,如圖1所示。在葉盆側(cè)葉 尖端面與葉身轉(zhuǎn)角位置有輕微的磨損痕跡,呈金屬 亮色,未見(jiàn)明顯的氧化特征,如圖2所示。 

對(duì)葉尖端面進(jìn)行觀察,可見(jiàn)明顯的摩擦痕跡。 1號(hào)裂紋呈45°從葉盆向葉背方向擴(kuò)展。在靠近葉背部 分有掉塊,如圖3所示。1號(hào)裂紋在掉塊區(qū)域內(nèi)基本與 葉背垂直,在靠近葉盆部分基本與摩擦痕跡垂直。2號(hào) 裂紋在靠近葉背的掉塊區(qū)域,基本垂直于葉背表面。 

1.2 斷口分析 

將1號(hào)裂紋人工打開(kāi)后在體視顯微鏡下觀察, 如圖4所示?？梢?jiàn)斷面較為平坦,放射棱線(xiàn)明顯,根 據(jù)棱線(xiàn)收斂方向可知有兩處裂紋源區(qū),均位于葉尖 端面與葉身轉(zhuǎn)角位置,一處靠近葉背側(cè),其擴(kuò)展區(qū)域 面積約占斷面面積的30%;另一處起源靠近葉盆 側(cè),其擴(kuò)展區(qū)域約占斷面面積的70%,兩處裂紋源 區(qū)擴(kuò)展合并后主要以靠近葉盆的裂紋源區(qū)擴(kuò)展方向 繼續(xù)擴(kuò)展。裂紋源區(qū)部分呈灰黑色,擴(kuò)展區(qū)顏色沿 葉身向內(nèi)逐漸變?yōu)榻瘘S色,局部有大量灰黑色附著 物,說(shuō)明葉尖端面存在超溫現(xiàn)象,沿葉身向內(nèi)溫度逐 漸降低,導(dǎo)致出現(xiàn)色帶。

在掃描電鏡下進(jìn)一步對(duì)斷口進(jìn)行分析,如圖5 所示?？梢?jiàn)擴(kuò)展區(qū)為解理臺(tái)階和撕裂棱線(xiàn)形貌,還 可見(jiàn)細(xì)密的疲勞條帶,人工打斷區(qū)呈韌窩特征,疲勞 源區(qū)未見(jiàn)冶金缺陷或機(jī)械損傷。 

1.3 金相檢驗(yàn) 

在葉尖端面靠近裂紋位置沿葉片縱向切取金相 試樣,磨制拋光后進(jìn)行檢查,靠近葉盆側(cè)的葉尖端面 較為平整,而靠近葉背側(cè)的葉尖端面已出現(xiàn)掉塊,高 度明顯低于葉盆側(cè),在葉尖端面的掉塊區(qū)域發(fā)現(xiàn)白 色塊狀附著物和灰色層狀附著物,如圖6所示。使 用5%(體積分?jǐn)?shù),下同)HF+12%HNO3 +83% H2O溶液對(duì)組織進(jìn)行浸蝕后,可見(jiàn)在掉塊區(qū)域附近 的表面組織初生α相含量減少,β相含量相對(duì)基體 略高,組織變化深度約0.1mm,如圖7所示。

1.4 能譜分析 

分別對(duì)基體組織、斷口灰黑色附著物、白色塊狀 附著物、灰色層狀附著物進(jìn)行能譜(EDS)分析,主要元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

基體組織以鈦元素為主,斷口灰黑色附著物、灰 色層狀附著物均含有較多的基體元素,但前者還存 在大量的氧元素,后者含有較多的鎳和氧元素;白色 塊狀附著物基本為鎳元素。

1.5 硬度測(cè)試 

采用 VH3100型維氏顯微硬度計(jì)分別在葉尖 端面組織變化區(qū)域和正常組織處進(jìn)行顯微維氏硬度 測(cè)試。結(jié)果表明,葉尖端面組織變化區(qū)域的硬度 (413HV0.1)略高于基體組織的(380HV0.1)。

2 分析與討論 

兩條裂紋均沿葉身縱向呈直線(xiàn)狀擴(kuò)展,裂紋形貌 類(lèi)似。相關(guān)資料表明[8],鈦合金在300℃左右時(shí)表面 氧化色為淡黃色,400℃時(shí)為金黃色,500℃時(shí)為藍(lán) 色,600℃時(shí)為紫色,700~800℃時(shí)為紅灰色,800~ 900℃時(shí)為灰色。根據(jù)裂紋和斷口形貌,葉片在工作 過(guò)程中存在局部超溫,最高溫度在900℃左右[9]。 

葉尖端面有明顯的摩擦痕跡,裂紋基本與摩擦 痕跡垂直,且葉盆位置裂紋開(kāi)口最大,表明裂紋是由 摩擦引起的且在葉盆位置起源。在靠近葉背部分, 出現(xiàn)掉塊,形成新的裂紋源并繼續(xù)擴(kuò)展,導(dǎo)致裂紋擴(kuò) 展方向改變,在斷口上顯示出兩個(gè)裂紋源區(qū)。斷口 大面積為擴(kuò)展區(qū),擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)疲勞弧線(xiàn),葉尖端面附 近為灰黑色,向內(nèi)逐步變?yōu)榻瘘S色,在葉尖位置摩擦 形成過(guò)燒和局部掉塊,使葉片的疲勞性能大幅降低, 形成疲勞裂紋[10]。

與葉片配合的機(jī)匣基體材料為 TC2鈦合金,表 面為鎳石墨封嚴(yán)涂層,以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的氣路封嚴(yán)效 率,屬于低溫可磨耗涂層,工作溫度在450℃以下, 超過(guò)此溫度會(huì)發(fā)生熔融,其主要成分為鎳元素和碳 元素[11],所有材料均滿(mǎn)足技術(shù)要求,結(jié)合能譜分析 結(jié)果可以判斷斷口上的灰色層狀附著物為葉尖端面 與機(jī)匣涂層摩擦超溫后涂層發(fā)生熔融,在葉片表面 反應(yīng)形成的混合產(chǎn)物,白色塊狀附著物為脫落的涂 層堆積物,因碳元素在高溫下氧化,所以基本為鎳 元素。 

高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在高壓渦輪軸的帶動(dòng)下高速轉(zhuǎn) 動(dòng),其工作溫度約300℃,葉片受離心載荷、氣動(dòng)載 荷、振動(dòng)載荷等作用,在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱 膨脹變形,會(huì)與機(jī)匣上的封嚴(yán)涂層進(jìn)行摩擦,發(fā)生輕 微磨損屬正?，F(xiàn)象[12]。查閱相關(guān)記錄,發(fā)動(dòng)機(jī)初始 裝配時(shí)其葉尖間隙為 0.81 mm,滿(mǎn) 足 間 隙 要 求 (0.70~0.84mm),在累積試車(chē)1380h后,發(fā)動(dòng)機(jī) 運(yùn)轉(zhuǎn)正常,葉尖與零件已經(jīng)充分磨合,但發(fā)動(dòng)機(jī)需進(jìn) 行拆機(jī)檢查并復(fù)裝,復(fù)裝后葉尖間隙為0.64mm,不 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,導(dǎo)致再次試車(chē)時(shí)葉尖與機(jī)匣涂層發(fā)生嚴(yán)重刮擦。

分析認(rèn)為,發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)裝后葉尖徑向間隙不滿(mǎn)足 設(shè)計(jì)要求,在試車(chē)過(guò)程中葉尖與機(jī)匣涂層發(fā)生嚴(yán)重 刮擦,導(dǎo)致局部超溫、掉塊,葉尖表面完整性被破壞, 涂層材料發(fā)生熔融并黏附在葉尖上,疲勞壽命大幅 降低,形成多處疲勞裂紋源,并逐步擴(kuò)展形成裂紋。

3 結(jié)論及建議 

葉片上的裂紋為試車(chē)過(guò)程中產(chǎn)生的疲勞裂紋。 發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)拆解復(fù)裝后的葉尖徑向間隙不滿(mǎn)足設(shè)計(jì) 要求而發(fā)生刮擦是產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因。 

建議通過(guò)車(chē)磨葉尖、嚴(yán)格控制葉尖徑向間隙等 方法,使葉尖徑向間隙符合設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn): 

[1] 郭德倫,韓野,張媛.航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展對(duì)制造技術(shù)的 需求[J].航空制造技術(shù),2015(22):68-72. 

[2] 李毅,趙永慶,曾衛(wèi)東,等.航空鈦合金的應(yīng)用及發(fā)展 趨勢(shì)[J].材料導(dǎo)報(bào),2020,34(增刊1):280-282. 

[3] 張鵬省,毛小南,韓棟,等.航空航天用鈦合金盤(pán)件開(kāi) 發(fā)與應(yīng)用[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2011,28(3):6-8. 

[4] 楊春燕.影響壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片精鍛質(zhì)量的主要工藝分 析[J].價(jià)值工程,2011,30(33):36-37. 

[5] CHUPPRE,HENDRICKSRC,LATTIMESB, etal.Sealinginturbomachine[R].GlennResearch Center Cleveland,Ohio 44135:NASA Centerfor AerospaceInformation,2006. 

[6] 劉麗玉,張銀東,高翔宇,等.TC17鈦合金壓氣機(jī)鼓筒 篦齒裂紋分析研究[J].失效分析與預(yù)防,2019,14 (5):315-320. 

[7] 孫智君,劉榮,劉國(guó)良.壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片掉塊斷裂分析 [J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2016,52(12):878-883. 

[8] 李旭升,辛社偉,毛小南,等.鈦合金氧化行為研究進(jìn) 展[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2014,31(3):7-13. 

[9] 楊勝,李瑩,何玉懷,等.TA15欽合金管材開(kāi)裂失效 分析[J].熱加工工藝,2010,39(12):196-198. 

[10] 楊慎亮,李勛,王子銘,等.TC4側(cè)銑表面完整性對(duì)試 件疲勞性能的影響[J].表面技術(shù),2019,48(11):372- 380. 

[11] 楊曉劍,田曄,黃新春,等.火焰噴涂鎳/石墨可磨耗 封嚴(yán)涂層的研究[J].有色金屬(冶煉部分),2008(增 刊):92-94. 

[12] 張俊紅,王杰,魯鑫,等.考慮封嚴(yán)涂層的航空發(fā)動(dòng)機(jī) 葉片碰摩過(guò)程[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2018,52 (5):980-987. 

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