摘 要:某型航空發動機在完成總運轉時間2081h后進行拆解檢查,在一件 TC6鈦合金高壓 壓氣機Ⅵ級轉子葉片上發現沿葉片縱向分布有兩條裂紋。通過宏觀觀察、斷口分析、金相檢驗、能 譜分析及硬度測試等方法對裂紋產生原因進行了分析。結果表明:該裂紋為試車過程中產生的疲 勞裂紋。發動機在完成階段性試車后進行拆解檢查,復裝后葉尖間隙不滿足設計要求,導致在隨后 的試車過程中葉尖與機匣封嚴涂層發生嚴重刮擦,造成局部超溫、掉塊,形成疲勞裂紋源并最終擴 展為裂紋。
關鍵詞:壓氣機葉片;航空發動機;葉尖間隙;疲勞裂紋;刮擦
中圖分類號:TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)10-0043-04
現代航空飛行器正向著輕結構質量、大推重比、 高效率、長壽命等方向發展[1],鈦合金以其比強度 高、抗腐蝕性能優異、溫度工作范圍較大等優點,在 航空領域中占有十分重要的地位。鈦合金的應用水 平也成為評價飛機先進性的重要指標,在先進軍用 飛機上其用量可占到1/4甚至更高[2]。目前,航空 發動機中的壓氣機盤、壓氣機葉片、機匣等關鍵部件 的材料均為鈦合金[3]。
在大涵道比渦扇發動機中,風扇/壓氣機部件的 制造成本占到發動機總制造成本的40%左右。目 前,高壓壓氣機的設計制造依然是制約發動機發展 的瓶頸之一[4]。壓氣機的主要作用是提高進入發動 機內的空氣壓力,其評價指標主要為增壓比、效率、 外廓尺寸和質量等,更高的級增壓比能夠使結構緊 湊,質量減輕,意味著制造成本和維護成本的下 降[5]。影響壓氣機級增壓比的因素很多,其中轉子 葉片與機匣間的葉尖徑向間隙對壓氣機氣路密封性 有顯著影響。研究表明[6],間隙與壓氣機葉片長度 的比值增加1%,壓氣機效率損失就增加2%,因此 應盡量減小壓氣機葉尖與靜子部件間的間隙,這也 對發動機部件的制造精度和傳動配合提出了更高的 要求。在航空發動機的實際制造應用中,出現過許 多因間隙控制不當而使轉、靜子部件刮擦從而導致 葉片磨損、涂層材料粘附葉片等嚴重安全問題出現, 甚至是安全事故[7]。
某型發動機高壓壓氣機的第Ⅵ級轉子葉片是由 TC6鈦合金經鍛造后加工成型得到的,合金組織為 典型的α+β雙相組織。發動機有效試車2081h后 進行拆解檢查,在葉片葉尖處發現沿葉身縱向分布 的兩條裂紋。筆者通過一系列檢驗和分析找出了裂 紋產生的原因,為發動機裝配和試車提供改進依據。
1 理化檢驗
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 均呈直線狀,一條為貫穿葉尖端面厚度(1.54mm) 的裂紋,長度約8mm(以下稱為1號裂紋),另一條 裂紋在葉背處(以下稱為2號裂紋),距離1號裂紋 1.5mm,長度約1mm。在葉背裂紋附近發現有明 顯的氧化色,端面呈灰黑色,向內逐漸變為藍色,最 大深度在0.7mm 左右,如圖1所示。在葉盆側葉 尖端面與葉身轉角位置有輕微的磨損痕跡,呈金屬 亮色,未見明顯的氧化特征,如圖2所示。
對葉尖端面進行觀察,可見明顯的摩擦痕跡。 1號裂紋呈45°從葉盆向葉背方向擴展。在靠近葉背部 分有掉塊,如圖3所示。1號裂紋在掉塊區域內基本與 葉背垂直,在靠近葉盆部分基本與摩擦痕跡垂直。2號 裂紋在靠近葉背的掉塊區域,基本垂直于葉背表面。
1.2 斷口分析
將1號裂紋人工打開后在體視顯微鏡下觀察, 如圖4所示。可見斷面較為平坦,放射棱線明顯,根 據棱線收斂方向可知有兩處裂紋源區,均位于葉尖 端面與葉身轉角位置,一處靠近葉背側,其擴展區域 面積約占斷面面積的30%;另一處起源靠近葉盆 側,其擴展區域約占斷面面積的70%,兩處裂紋源 區擴展合并后主要以靠近葉盆的裂紋源區擴展方向 繼續擴展。裂紋源區部分呈灰黑色,擴展區顏色沿 葉身向內逐漸變為金黃色,局部有大量灰黑色附著 物,說明葉尖端面存在超溫現象,沿葉身向內溫度逐 漸降低,導致出現色帶。
在掃描電鏡下進一步對斷口進行分析,如圖5 所示。可見擴展區為解理臺階和撕裂棱線形貌,還 可見細密的疲勞條帶,人工打斷區呈韌窩特征,疲勞 源區未見冶金缺陷或機械損傷。
1.3 金相檢驗
在葉尖端面靠近裂紋位置沿葉片縱向切取金相 試樣,磨制拋光后進行檢查,靠近葉盆側的葉尖端面 較為平整,而靠近葉背側的葉尖端面已出現掉塊,高 度明顯低于葉盆側,在葉尖端面的掉塊區域發現白 色塊狀附著物和灰色層狀附著物,如圖6所示。使 用5%(體積分數,下同)HF+12%HNO3 +83% H2O溶液對組織進行浸蝕后,可見在掉塊區域附近 的表面組織初生α相含量減少,β相含量相對基體 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、灰色層狀附著物進行能譜(EDS)分析,主要元素分析結果見表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 硬度測試
采用 VH3100型維氏顯微硬度計分別在葉尖 端面組織變化區域和正常組織處進行顯微維氏硬度 測試。結果表明,葉尖端面組織變化區域的硬度 (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狀擴展,裂紋形貌 類似。相關資料表明[8],鈦合金在300℃左右時表面 氧化色為淡黃色,400℃時為金黃色,500℃時為藍 色,600℃時為紫色,700~800℃時為紅灰色,800~ 900℃時為灰色。根據裂紋和斷口形貌,葉片在工作 過程中存在局部超溫,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, 出現掉塊,形成新的裂紋源并繼續擴展,導致裂紋擴 展方向改變,在斷口上顯示出兩個裂紋源區。斷口 大面積為擴展區,擴展區可見疲勞弧線,葉尖端面附 近為灰黑色,向內逐步變為金黃色,在葉尖位置摩擦 形成過燒和局部掉塊,使葉片的疲勞性能大幅降低, 形成疲勞裂紋[10]。
與葉片配合的機匣基體材料為 TC2鈦合金,表 面為鎳石墨封嚴涂層,以提高發動機的氣路封嚴效 率,屬于低溫可磨耗涂層,工作溫度在450℃以下, 超過此溫度會發生熔融,其主要成分為鎳元素和碳 元素[11],所有材料均滿足技術要求,結合能譜分析 結果可以判斷斷口上的灰色層狀附著物為葉尖端面 與機匣涂層摩擦超溫后涂層發生熔融,在葉片表面 反應形成的混合產物,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。
高壓壓氣機轉子在高壓渦輪軸的帶動下高速轉 動,其工作溫度約300℃,葉片受離心載荷、氣動載 荷、振動載荷等作用,在工作過程中會產生一定的熱 膨脹變形,會與機匣上的封嚴涂層進行摩擦,發生輕 微磨損屬正常現象[12]。查閱相關記錄,發動機初始 裝配時其葉尖間隙為 0.81 mm,滿 足 間 隙 要 求 (0.70~0.84mm),在累積試車1380h后,發動機 運轉正常,葉尖與零件已經充分磨合,但發動機需進 行拆機檢查并復裝,復裝后葉尖間隙為0.64mm,不 滿足設計要求,導致再次試車時葉尖與機匣涂層發生嚴重刮擦。
分析認為,發動機復裝后葉尖徑向間隙不滿足 設計要求,在試車過程中葉尖與機匣涂層發生嚴重 刮擦,導致局部超溫、掉塊,葉尖表面完整性被破壞, 涂層材料發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,并逐步擴展形成裂紋。
3 結論及建議
葉片上的裂紋為試車過程中產生的疲勞裂紋。 發動機試車拆解復裝后的葉尖徑向間隙不滿足設計 要求而發生刮擦是產生疲勞裂紋的主要原因。
建議通過車磨葉尖、嚴格控制葉尖徑向間隙等 方法,使葉尖徑向間隙符合設計要求。
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