摘 要:某發(fā)動機壓氣機三級轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生斷裂,采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡和能 譜分析、金相檢驗、硬度測試等方法,并結(jié)合葉片振動模態(tài)分析,對其斷裂原因進行分析。結(jié)果表 明:葉片的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂,疲勞起源于葉片葉盆面距離進氣邊約0.8mm 的腐蝕坑處;腐蝕 坑降低了葉片的抗疲勞能力,是葉片發(fā)生疲勞斷裂的主要原因;葉片在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在11階 共振,引起葉片疲勞裂紋的萌生和擴展。

關鍵詞:葉片;疲勞斷裂;腐蝕;振動模態(tài)

中圖分類號:TB303;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)02-0063-04

航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片是發(fā)動機結(jié)構(gòu)件中的關鍵 零部件之一,葉片為高速旋轉(zhuǎn)的動部件,轉(zhuǎn)子葉片不 僅數(shù)量多、形體單薄,而且工作環(huán)境復雜,是發(fā)動機 使用和試驗中故障率最高的零部件之一。據(jù)統(tǒng)計, 在航空發(fā)動機中,葉片故障可占到總故障的40%以 上,而且轉(zhuǎn)子葉片的損傷對發(fā)動機的性能影響很大, 有的甚至導致嚴重的事故[1-2]。發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片發(fā) 生故障的原因較多,通常有共振疲勞、顫振疲勞、外 物打傷、腐蝕、材料缺陷以及微動磨損等[3-6]。

某型發(fā)動機壓氣機三級轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生斷裂,葉 片材料為 LY2鋁合金,葉片表面進行了陽極化處 理,用于預防腐蝕。為查明該葉片的斷裂原因,筆者 對其進行了一系列理化檢驗,以防止該類故障再次 發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂壓氣機三級轉(zhuǎn)子葉片的宏觀形貌如圖1所 示。完整的三級轉(zhuǎn)子葉片進氣邊葉尖距離緣板長約 175mm,排氣邊葉尖距離緣板長約151mm。斷裂 位置在葉身上部。葉片斷裂部位的排氣邊側(cè)可見尺 寸約為5mm×5mm(長×寬)的塑性變形,葉片其 他部位未見異常機械損傷。

對葉片斷口進行宏觀觀察,結(jié)果如圖2所示,根 據(jù)斷口形貌可知:葉片斷口大致分為兩部分,靠近進氣邊側(cè)的斷面較平坦,可見明顯放射棱線和疲勞弧 線特征,該區(qū)域面積約占葉片橫截面的4/5,未見明 顯塑性變形特征,為疲勞區(qū);靠近排氣邊側(cè)為斜斷 口 ,還可見明顯塑性變形,為瞬斷區(qū)。根據(jù)放射棱線收斂方向可判斷,疲勞起源于葉片葉盆側(cè)靠近進 氣邊處,距離進氣邊約0.8mm,具有點源特征,源 區(qū)顏色發(fā)黑,經(jīng)清洗后可見凹坑,疲勞源區(qū)對應側(cè)表 面未見異常機械損傷(見圖3)。

1.2 化學成分分析及力學性能測試

從葉片斷口附近取樣,對葉片進行化學成分分 析。葉片的化學成分分析結(jié)果如表1所示。由表1 可知:葉片的化學成分符合 GB/T3190—2020《變 形鋁及鋁合金化學成分》對 LY2 鋁合金材料的 要求。

對葉片進行力學性能測試,得到葉片的顯微硬 度為138HV,抗拉強度為453MPa,滿足葉片強度 設計要求(不小于390MPa)。

1.3 掃描電鏡、能譜分析及金相檢驗

采用掃描電鏡(SEM)對斷口進行觀察,疲勞源 區(qū)凹坑從葉盆側(cè)表面向內(nèi)延伸,凹坑表面呈腐蝕形 貌(見圖4),能譜分析發(fā)現(xiàn)凹坑表面的 O、S、Cl等環(huán) 境腐蝕性元素含量較高,凹坑表面能譜分析結(jié)果如 圖5所示。疲勞擴展區(qū)疲勞條帶清晰(見圖6)。瞬 斷區(qū)為典型撕裂韌窩形貌(見圖7),進一步觀察葉 片葉盆面其他部位微觀形貌,可見葉盆面其他部位 局部也可見類似腐蝕坑(見圖8)。

用光學顯微鏡對葉片進行金相檢驗,其顯微組 織形貌如圖9所示,由圖9可知:未見過熱、過燒或 第二相聚集分布現(xiàn)象[7]。

2 理論計算

采用 ANSYS軟件對壓氣機三級轉(zhuǎn)子葉片的葉 片振型及應力分布進行仿真計算[8-9],三級轉(zhuǎn)子理論 模型葉片11階模態(tài)最大振動應力部位與葉片斷裂 疲勞起源部位接近,即大致位于葉片葉盆面靠近進 氣邊位置(見圖10),計算其共振轉(zhuǎn)速有兩個,分別 為3510r/min和4200r/min。

3 綜合分析

壓氣機三級轉(zhuǎn)子葉片斷口宏觀可見明顯的疲勞 弧線及放射棱線等典型疲勞斷裂特征,微觀可見清 晰疲勞條帶特征,表明葉片的斷裂性質(zhì)為疲勞斷 裂[10]。疲 勞 起 源 于 葉 片 葉 盆 面 距 離 進 氣 邊 約 0.8mm的腐蝕坑處。

斷裂葉片的化學成分、顯微組織及力學性能均正常,葉盆面存在腐蝕坑,降低了葉片的抗疲勞能 力[11-12],是葉片發(fā)生疲勞斷裂的主要原因。葉片葉 盆面其他部位局部也可見類似腐蝕坑,分析認為葉 片可能存在腐蝕防護不良的問題。

根據(jù)三級轉(zhuǎn)子葉片的振型及應力計算結(jié)果可 知,轉(zhuǎn)子理論模型葉片11階模態(tài)最大振動應力部位 與葉片斷裂疲勞起源部位接近,即大致位于葉片葉 盆面靠 近 進 氣 邊 位 置,計 算 其 共 振 轉(zhuǎn) 速 分 別 為 3510r/min和4200r/min。三級轉(zhuǎn)子葉片在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在11階共振,誘發(fā)了葉片疲勞裂紋的 萌生和擴展。

4 結(jié)語

壓氣機三級轉(zhuǎn)子葉片的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂, 疲勞起源于葉片葉盆面距離進氣邊約0.8mm 的腐 蝕坑處;葉片葉盆面存在腐蝕坑,降低了葉片的抗疲 勞能力,是葉片發(fā)生疲勞斷裂的主要原因;壓氣機三 級轉(zhuǎn)子葉片在工作范圍內(nèi)存在11階共振,誘發(fā)了葉 片疲勞裂紋的萌生和擴展。

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<文章來源 >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 2期 (pp:63-66)>