摘 要:某發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生斷裂,采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡和能 譜分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試等方法,并結(jié)合葉片振動(dòng)模態(tài)分析,對(duì)其斷裂原因進(jìn)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(jìn)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(kuò)展。

關(guān)鍵詞:葉片;疲勞斷裂;腐蝕;振動(dòng)模態(tài)

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

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件中的關(guān)鍵 零部件之一,葉片為高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)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(fù)雜,是發(fā)動(dòng)機(jī) 使用和試驗(yàn)中故障率最高的零部件之一。據(jù)統(tǒng)計(jì), 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響很大, 有的甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的事故[1-2]。發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)磨損等[3-6]。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生斷裂,葉 片材料為 LY2鋁合金,葉片表面進(jìn)行了陽極化處 理,用于預(yù)防腐蝕。為查明該葉片的斷裂原因,筆者 對(duì)其進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn),以防止該類故障再次 發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

斷裂壓氣機(jī)三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的宏觀形貌如圖1所 示。完整的三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)氣邊葉尖距離緣板長(zhǎng)約 175mm,排氣邊葉尖距離緣板長(zhǎng)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(zhǎng)×寬)的塑性變形,葉片其 他部位未見異常機(jī)械損傷。

對(duì)葉片斷口進(jìn)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(jìn)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(jìn) 氣邊處,距離進(jìn)氣邊約0.8mm,具有點(diǎn)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(duì)應(yīng)側(cè)表 面未見異常機(jī)械損傷(見圖3)。

1.2 化學(xué)成分分析及力學(xué)性能測(cè)試

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

對(duì)葉片進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,得到葉片的顯微硬 度為138HV,抗拉強(qiáng)度為453MPa,滿足葉片強(qiáng)度 設(shè)計(jì)要求(不小于390MPa)。

1.3 掃描電鏡、能譜分析及金相檢驗(yàn)

采用掃描電鏡(SEM)對(duì)斷口進(jìn)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(kuò)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(jìn)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(xué)顯微鏡對(duì)葉片進(jìn)行金相檢驗(yàn),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(jì)算

采用 ANSYS軟件對(duì)壓氣機(jī)三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的葉 片振型及應(yīng)力分布進(jìn)行仿真計(jì)算[8-9],三級(jí)轉(zhuǎn)子理論 模型葉片11階模態(tài)最大振動(dòng)應(yīng)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(jìn) 氣邊位置(見圖10),計(jì)算其共振轉(zhuǎn)速有兩個(gè),分別 為3510r/min和4200r/min。

3 綜合分析

壓氣機(jī)三級(jí)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(jìn) 氣 邊 約 0.8mm的腐蝕坑處。

斷裂葉片的化學(xué)成分、顯微組織及力學(xué)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(rèn)為葉 片可能存在腐蝕防護(hù)不良的問題。

根據(jù)三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的振型及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可 知,轉(zhuǎn)子理論模型葉片11階模態(tài)最大振動(dòng)應(yīng)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(jìn) 氣 邊 位 置,計(jì) 算 其 共 振 轉(zhuǎn) 速 分 別 為 3510r/min和4200r/min。三級(jí)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(kuò)展。

4 結(jié)語

壓氣機(jī)三級(jí)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(jìn)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(jī)三 級(jí)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(kuò)展。

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