发动机压气机转子叶片断裂失效分析

2011-02-23姜涛李春光张兵

装备环境工程 2011年3期

姜涛，李春光，张兵

（1.北京航空材料研究院中国航空工业集团公司失效分析中心，北京 100095；2.中国民航科学技术研究院，北京 100028）

压气机是航空发动机的关键部件之一，其主要作用是提高作为发动机工作介质的空气压力。转子叶片由于高速旋转、数量多、形体单薄，以及载荷、工况复杂，使其成为发动机使用和实验中故障率最高的零部件之一[1]。转子叶片中最常见的失效模式为疲劳开（断）裂失效，引起叶片疲劳失效的原因多种多样，主要包括共振、外物打伤、腐蚀、材质缺陷、微动损伤等[2—4]。其中，腐蚀引起的疲劳失效是导致压气机转子叶片失效的一个常见因素，并且腐蚀在叶片失效中所起的作用较难界定。

某型发动机累计工作1 299 h 14 min后返厂分解检查，发现1片发动机压气机Ⅲ级转子叶片断裂，除Ⅰ,Ⅱ级叶片外，其余压气机叶片均有不同程度的损伤。转子叶片由1Cr11Ni2W2MoV 马氏体不锈钢锻造成形。

笔者对上述叶片断裂原因进行了分析，并着重探讨了腐蚀对叶片失效的影响，其结果可为设计人员提供借鉴。

1 试验过程与结果

1.1 宏观检查

压气机Ⅲ级叶片断裂位置如图1 所示，叶片在叶身2/3 高度处发生断裂，进气边一侧断口平坦，断面大致平行于叶片叶根；排气边一侧断口塑性变形严重，呈从叶盆侧向叶背侧撕裂的特征。

图1 叶片断裂部位Fig.1 Fracture position of the blade

叶片的叶盆侧表面为银灰色，局部可见黑色斑点；叶背侧表面光亮，表面存在沿叶身方向的细小磨削加工痕迹，如图2所示。对断裂叶片和1片未断的Ⅲ级完好叶片表面进行对比观察，发现在叶片进气边均存在大量的黑色腐蚀坑，断裂叶片腐蚀情况略重于未断叶片，如图3所示。

叶片断口宏观形貌如图4所示。叶片进气边一侧为相对平坦的疲劳区，疲劳区占断口面积的3/4，排气边一侧为瞬断区。疲劳区表面可见明显的疲劳弧线，疲劳弧线的中心都指向叶片进气边。叶片进气边断口表面呈灰黑色，与其它区域明显不同。

1.2 微观观察及能谱分析

在JSM5600型扫描电子显微镜下对失效的叶片进行微观观察。

图2 断裂叶片表面形貌Fig.2 Appearance of the fractured blade

图3 叶片进气边腐蚀坑Fig.3 Pitting at the leading edge

图4 叶片断口形貌Fig.4 Macro appearance of the fracture surface

1.2.1 叶片断口

观察发现，断口表面未见明显疲劳扩展棱线，叶片叶背、叶盆两侧均无疲劳源，结合疲劳弧线的收敛中心判断，叶片的疲劳裂纹源应位于进气边。

叶片进气边的断口形貌如图5所示，可见进气边断口表面存在明显的腐蚀区，叶盆一侧腐蚀区深约0.3 mm，叶背一侧深约0.8 mm，该区被腐蚀产物覆盖。腐蚀区与疲劳扩展区交界处形貌如图6所示，两者之间存在明显分界：一侧腐蚀严重，可见泥纹花样；一侧腐蚀轻微，表面可见轻微的马氏体条束特征，并能够观察到细密的脆性疲劳条带，如图7所示。

图5 叶片进气边断口形貌Fig.5 Fracture surface near the leading edge

图6 断口腐蚀区边界形貌Fig. 6 Boundary appearance of the erosion zone at the fracture surface

图7 靠近腐蚀区的疲劳特征Fig.7 Fatigue feature near the erosion zone

对断口腐蚀区进行能谱分析，结果见表1。腐蚀产物中腐蚀性元素主要有S，Cl，O。

叶片断口疲劳扩展中期形貌如图8 所示，断口表面存在大量疲劳弧线，弧线中心皆指向叶片进气边。弧线间密布疲劳条带。疲劳扩展后期断面起伏加剧，疲劳弧线更为明显，弧线间的疲劳条带仍很细密。瞬断区的断口表面为韧窝特征。

表1 叶片腐蚀表面微区成分分析结果Table 1 Results of content analysis for the corrosion surface microzone of fractured blade %

图8 裂纹扩展区的疲劳弧线Fig.8 Fatigue striations at the propagating zone

1.2.2 叶片进气边腐蚀坑

对断裂叶片进气边叶背侧进行观察，裂纹走向如图9所示，进气边表面存在大的腐蚀坑，裂纹源区附近的腐蚀情况最为严重。选取的完好叶片进气边也存在腐蚀坑，相对较轻，如图10所示。

对腐蚀坑内物质进行能谱分析，腐蚀产物中主要含有S，Cl，O腐蚀性元素（见表1）。

图9 断裂叶片进气边腐蚀情况Fig.9 Erosion near the leading edge of the fractured blade

图10 未断叶片进气边腐蚀情况Fig.10 Erosion of the leading edge of an undamaged blade

综合以上试验结果，压气机Ⅲ级叶片为疲劳断裂，裂纹起源于进气边腐蚀区，之后沿叶盆侧疲劳扩展，并向叶背侧发展。叶片进气边存在大量由S，Cl元素导致的腐蚀坑，裂纹源区的腐蚀产物中也含有S，Cl等腐蚀性元素。

1.3 金相观察

在HiROX HI-SCOPE KH-2700三维视频显微镜和OLYMPUS GX51金相显微镜下对叶片组织进行微观观察。

垂直断裂叶片和选取的完好叶片叶身磨制金相试样，在试样的进气边存在明显的腐蚀坑，断裂叶片的腐蚀坑相对较深，其典型腐蚀形貌如图11所示。

图11 断裂叶片进气边腐蚀坑截面形貌Fig. 11 Sectional appearance of erosion pits near the leading edge of the fractured blade

将试样腐蚀后进行观察，两片叶片组织均为回火马氏体，但断裂叶片的晶粒和组织相对于完好叶片明显粗大，如图12所示。

1.4 硬度测试

对断裂叶片和完好叶片的叶身硬度进行检查，断裂叶片硬度为326HBW，完好叶片硬度为360HBW，均符合硬度要求（311HBW～388HBW）。

图12 叶身截面组织Fig.12 Microstructure of the cross sections

2 分析与讨论

叶片断口宏微观观察结果表明，叶片进气边存在严重腐蚀，腐蚀区的深度为0.3～0.8 mm；疲劳裂纹从进气边的腐蚀区处起源，疲劳扩展区细腻平坦，可见细密的疲劳条带，瞬断区小，因此该叶片属高周疲劳断裂。

根据发动机返厂后的检修结果，除了断裂叶片以外，其他叶片中均不存在裂纹，即尚无裂纹萌生。由于同级压气机叶片的工作情况几乎相同，也就是说，在此叶片工作的近1 300 h 内，叶片的正常工作应力尚不能使叶片萌生疲劳裂纹，更不会造成叶片发生高周疲劳断裂，因此，应重点分析促进该断裂叶片疲劳裂纹萌生的因素。

断裂叶片进气边存在严重腐蚀。金相检查结果表明，表面腐蚀坑的深度在0.1 mm以上，而叶片的裂纹源区恰恰位于腐蚀区。如此深度的腐蚀坑，很容易成为疲劳裂纹源，从而大大降低了疲劳裂纹的萌生寿命。

压气机叶片的进气边及叶盆侧在发动机运转中直接承受空气冲刷等作用，空气中的污染物容易沉积在这些部位并引起叶片的腐蚀，宏观观察结果印证了这一点。1Cr11Ni2W2MoV 马氏体不锈钢在淡水和湿空气中具有良好的耐蚀性，但在海水和海洋性气候中使用时耐蚀性较差[5]。能谱分析表明正是S，Cl 元素导致了叶片的腐蚀，说明发动机的使用环境对叶片失效起到了促进作用，而叶片腐蚀程度的差异可能与叶片个体晶粒组织差异有关。

叶片的疲劳断裂失效除了与上述因素有关外，工作中的振动应力也是一个不容忽视的因素。一些失效案例通过精密的计算和试验证明，有些与腐蚀相关的叶片断裂问题的主因与叶片共振有关[6]。

复查结果表明，叶片出厂时测频为3 177 Hz，符合Ⅲ级压气机转子叶片修频不大于3 465 Hz 的要求，并且该型发动机经过了长期使用，设计也经过了不断修正，正常情况下不会出现叶片共振现象。断口观察结果也否定了共振疲劳的可能，但转子叶片在实际工作中不可避免地存在振动，典型的振型有一弯、二弯、三弯和一扭、二扭等。对于压气机转子叶片，最重要的是一弯、二弯和一扭振型[7]。叶片在这些位置处振动应力最大，也最容易发生断裂。失效压气机叶片断裂在2/3叶身处，该位置处于二弯共振区，振动应力较大，因此，该叶片裂纹是在存在严重腐蚀损伤情况下发生的振动疲劳，腐蚀损伤对疲劳裂纹的萌生起着重要的作用。