冷却风扇叶片断裂分析

张　博，侯学勤

（1.中航工业基础技术研究院，北京100028；2.北京航空材料研究院，北京100095；3.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京100095；4.中航工业失效分析中心，北京100095）

冷却风扇叶片断裂分析

张博1，侯学勤2，3，4

（1.中航工业基础技术研究院，北京100028；2.北京航空材料研究院，北京100095；3.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京100095；4.中航工业失效分析中心，北京100095）

冷却风扇试验过程中叶片全部发生断裂，对断裂叶片进行外观检查、金相组织和显微硬度检测，对断口进行宏微观检查、能谱分析，综合分析叶片的断裂性质和原因。结果表明:冷却风扇叶片裂纹扩展阶段的典型特征为疲劳弧线及分布在疲劳弧线间的细密疲劳条带，发生了高低周复合疲劳断裂。叶片高低周复合疲劳断裂由较大离心力叠加振动应力的综合作用引起。建议优化叶片结构，提高叶片的承载能力，降低冷却风扇叶片振动应力，严格控制铸造质量，对叶片表面进行抗疲劳性能处理。

冷却风扇叶片；疲劳断裂；高低周复合疲劳；应力

0　引言

风扇是发动机的关键部件之一，其质量及工作好坏将对发动机的工作效率、安全性和可靠性产生直接影响［1-2］。风扇叶片在工作过程中，由于转速高、受到的载荷严酷和工作环境复杂，成为发动机试验和使用过程中故障率较高的零部件之一［3-5］。叶片的失效模式虽然多数为高周疲劳断裂，但由于其服役过程中受到低循环离心力和高循环振动力的综合作用，一定条件下也会发生高低周复合疲劳。高低周复合疲劳对构件寿命的危害程度大于单一的低周或高周疲劳［6-7］。对于高低周复合疲劳，由高低周载荷共同作用引起的复合损伤并非两种载荷单独作用时的简单迭加，这种复合疲劳有其许多特有的规律和特征［8］。王春生等［9］的研究表明，DZ22合金在低循环载荷上叠加高循环振动载荷使疲劳寿命下降，但是高频振幅小于某一临界值时，由于高频小幅值振动起到次负荷锻炼作用使材料得到强化、且在高低循环复合疲劳过程中抑制了疲劳损伤，这时复合疲劳寿命反而会明显增长。郑光华等［10］对压气机叶片高低周复合疲劳的研究表明，高循环的频率及高循环的幅值变化对叶片裂纹扩展的影响十分显著。

目前，关于高低周复合疲劳断裂试验研究的报道较多，但对实际构件的高低周复合疲劳断裂失效的报道较少。本研究针对一起较大离心力叠加振动应力综合作用引起的风扇叶片高低周复合疲劳断裂故障进行分析。

冷却风扇试验过程中，9片叶片全部断裂。冷却风扇工作过程中的最高转速为5 200 r/min，受到周期性离心拉应力、气动力以及振动应力的综合作用。冷却风扇叶片材料为ZL104（按GB/T 1173—2013）铝合金，采用砂型铸造，变质处理，T6热处理（固溶处理+完全人工时效）。铸件按照GB/T 9438—2013验收。

本研究对故障冷却风扇叶片断口进行宏微观形貌和金相组织观察，对显微硬度进行检测，确定冷却风扇叶片的断裂性质，分析断裂原因，并提出相应的改进措施。

1　试验过程与结果

1.1宏微观观察

冷却风扇叶片共9片，分别编号为1#～9#；断裂前整体外观形貌及断裂后在冷却风扇叶轮上的形貌如图1所示。

冷却风扇各叶片断裂位置基本相同，均位于叶片根部圆弧过渡处。冷却风扇各叶片断口呈两种特征:1）全部为灰色和瞬断形貌的过载断口，如1#、8#、9#叶片断口，典型形貌见图2a；2）由银白色疲劳裂纹扩展形貌和灰色瞬断形貌组成的疲劳断口，如2#～7#叶片，典型形貌见图2b。

图1　冷却风扇外观及断裂位置Fig.1　Appearance and fracture position of the cooling fan

图2　叶片断口形貌Fig.2　Fracture appearance of blades

在叶片疲劳断口中，3#叶片的疲劳裂纹扩展区面积最大，呈半椭圆形，长99 mm，宽11 mm、约占断口叶片厚度（17 mm）的2/3，脱离叶轮的断面疲劳源一侧局部有压痕（图3）。6#叶片的疲劳裂纹扩展区面积次之，呈半椭圆形，长90 mm，宽10 mm，略小于断口叶片厚度的2/3，脱离风扇叶轮的断面疲劳源一侧与对应断面即与风扇叶轮相连的断面的疲劳源一侧的同一位置存在相互吻合的压痕（图4）。

3#、6#叶片断口源区均位于叶片与叶轮表面呈锐角过渡一侧的叶片表面，高差较大，多源，线源特征，源区起始的棱线明显，6#叶片断口源区还可见裂纹从铸造缺陷（孔洞）位置萌生的形貌（图5a～图5c）。两叶片断口疲劳裂纹扩展区存在多个疲劳弧线，疲劳弧线之间分布有细密的疲劳条带，典型形貌见图5d，疲劳弧线由冷却风扇每一次起停过程中主要是离心力构成的应力循环过程（低周疲劳）引起，疲劳条带由叶片工作过程中承受高频振动载荷（高周疲劳）引起。瞬断区为韧窝断裂特征，典型形貌见图5e。

图3　3#叶片疲劳裂纹扩展区形貌Fig.3　Fatigue crack propagation area appearance of 3#blade

图4　6#叶片疲劳裂纹扩展区形貌Fig.4　Fracture appearance of 6#blade

图5　叶片断口微观形貌Fig.5　Micro appearance of blades fracture

1.2金相检查

在3#、6#叶片的侧断口下方平行于断口表面截取金相试样，采用Keller＇s腐蚀剂（3 mL HCL+ 5 mL HNO3+2 mL HF+190 mL H2O）腐蚀后，用Olympus GX51金相显微镜进行组织观察。

两叶片金相组织相同。α（Al）初晶呈树枝状，枝晶间组织细小，为（α+Si）共晶体；Si呈细小点状和颗粒状；骨骼状的为AlFeMnSi，与α固溶体形成（α+AlFeMnSi）二元共晶体（图6）。叶片组织正常。

图6　叶片金相组织Fig.6　Microstructure of blades

1.3硬度检测

将3#、6#叶片的金相试样抛光后，采用FM-700显微硬度计进行显微硬度测定，结果见表1。布氏硬度（HB）与 显微硬度（HV）有如下关系［11］:HB≤400时，HB≈HV；HB≥400时，HB＜HV。3#叶片的硬度为HV 98.8，6#叶片的硬度为HV 103.9，可见两叶片的硬度满足 GB/T 1173—2013对ZL104采用SB、T6处理的铸件不小于HB 70的硬度要求，即叶片的硬度符合设计要求。

表1　叶片显微硬度测定结果Table 1　Hardness testing results of the failure blade　HV0.3

2　分析与讨论

2.1首断件分析

冷却风扇各叶片断裂特征的观察结果表明:1#、8#和9#叶片断口为过载断口，发生了过载断裂；2#～7#叶片断口为疲劳断口，发生了疲劳断裂。同一构件如发生既有疲劳断裂又有过载断裂的多处断裂时，疲劳断裂优先发生于过载断裂。因此，冷却风扇叶片断裂应由疲劳断裂叶片开始。

在冷却风扇叶片各疲劳断口中，3#叶片疲劳裂纹扩展区面积最大，裂纹沿叶片厚度方向扩展距离最长，断裂时的有效受力面积最小。对于3#叶片断口，脱离风扇叶轮的断面疲劳源一侧存在压痕而其对应断面即与风扇叶轮相连的断面的疲劳源一侧不存在压痕；这表明3#叶片脱离风扇叶轮的断面疲劳源压痕是在3#叶片断裂之后产生的。3#叶片疲劳裂纹扩展后期突然出现少量间距明显增大的疲劳条带，表明该叶片在疲劳裂纹扩展后期受到了较大应力作用［12］。因此，3#叶片最有可能率先萌生裂纹并发生断裂。

另一方面，对于6#叶片断口，其脱离风扇叶轮的断面疲劳源一侧与对应断面即与风扇叶轮相连的断面的疲劳源一侧的同一位置存在相互吻合的压痕，这表明6#叶片发生断裂之前，其疲劳源局部受到了外来物的冲击作用。考虑到风扇叶片的工作环境，该外来物只可能来自风扇系统自身，而且是由具备先于6#叶片产生断裂可能的部件引起。因此，引起6#叶片源区压痕的最有可能是3#叶片断裂后出现的产物。

以上分析表明，在冷却风扇各叶片中，3#叶片最先萌生裂纹，发生断裂。

2.2断裂性质及过程

高低周复合疲劳断裂的判断需结合断口上疲劳弧线、条带的分布特征与断裂过程中的载荷特征综合判断。高低周复合疲劳断裂是构件在低循环载荷与高循环载荷复合作用发生的断裂，其断口形貌常表现为疲劳弧线间分布有细密疲劳条带的特征。

冷却风扇工作过程中承受较大的工作应力（主要是离心力），它的每一次起停即为一个大的应力循环过程（低周）。而在其运转过程中，由于工作状态复杂，使得叶片在各种因素共同作用下，不可避免地存在振动，承受高频振动载荷（高周），即出现了在较大的低周载荷基础上叠加上循环次数十分可观且具有一定应力幅的振动载荷。这表明叶片断裂过程中受到的载荷特征满足高低复合疲劳断裂条件。冷却风扇3#、6#叶片疲劳断口上存在多个疲劳弧线，疲劳弧线之间分布有细密的疲劳条带，为高低周复合疲劳断裂特征。

因此，冷却风扇叶片的断裂性质为高低周复合疲劳断裂，断裂过程为:冷却风扇叶片在低周离心拉应力及高周振动应力的综合作用下，3#叶片率先在叶根部位萌生疲劳裂纹，之后2#、4#～7#叶片在叶根部位先后萌生疲劳裂纹，疲劳裂纹在疲劳应力作用下稳定扩展，其中3#叶片疲劳裂纹最先扩展到叶片剩余有效承载面积不足以承受工作应力而发生断裂。3#叶片断裂后，系统失稳，各叶片受力增大，引起2#、4#～7#叶片疲劳裂纹稳定扩展终止而发生瞬时断裂，1#、8#和9#叶片发生过载断裂。

2.3断裂原因及应对措施

3#、6#断口的疲劳裂纹呈多源、线源特征，放射棱线明显，源区高差较大，表明疲劳裂纹的萌生应力较大。这表明冷却风扇叶片发生了疲劳裂纹萌生应力较大的高低周复合疲劳断裂，即导致叶片断裂的原因是受到了较大离心力叠加一定应力幅的振动应力。相关研究发现，叠加在低周疲劳循环过程中的高周循环应力会影响材料的疲劳寿命，特别是超过一定值后，会使裂纹尖端很容易达到平面应变状态，进而明显加速疲劳裂纹的扩展即显著降低材料的疲劳寿命［13-14］。

因此，为提高冷却风扇叶片的疲劳寿命。一方面应降低叶片所受到的应力水平，另一方面应提高叶片自身的疲劳性能。首先，由于冷却风扇叶片的工作应力一定，并且工作环境也无法改变，因此可从提高冷却风扇运转的稳定性出发，从冷却风扇结构设计入手，优化结构设计，减小冷却风扇叶片受到的振动应力，避免出现高低周复合疲劳。其次，冷却风扇材料铸造和热处理方式一定，即构件材料自身的疲劳性能一定，可通过对铸造质量加以控制，提高冷却风扇关键位置（叶根）的表面质量，减少由于缺陷（如铸造孔洞缺陷）的存在对于冷却风扇疲劳寿命的影响。另一方面，可通过对冷却风扇进行表面处理，如喷丸处理等，使得其表面形成压应力，从而提高抗疲劳性能。

3　结论

1）冷却风扇在低周离心拉应力及高周振动应力的综合作用下，3#叶片率先在叶根部位萌生疲劳裂纹并扩展，最终发生高低周复合疲劳断裂，2#、4#～7#叶片在叶根部位先后萌生疲劳裂纹，也发生高低周复合疲劳断裂；1#、8#和9#叶片发生过载断裂。

2）冷却风扇叶片失效的根本原因在于较大离心力叠加了一定应力幅的振动应力。

3）建议优化叶片结构，提高叶片的承载能力，降低冷却风扇叶片振动应力，严格控制铸件质量，对叶片表面进行抗疲劳性能处理。

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Fracture Analysis of Cooling Fan Blade

ZHANG Bo1，HOU Xue-qin2，3，4
（1.AVIC Aviation Foundation Technology Establishment，Beijing 100028，China；2.Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China；3.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation，Beijing 100095，China；4.AVIC Failure Analysis Center，Beijing 100095，China）

All blades of a cooling fan fractured during test.The failure mode and cause were analyzed by appearance observation，metallographic examination and hardness testing of the blades，as well as macro-and-micro observation of the fracture surface. The results show that the main characters in the fatigue crack propagation stage of the blades are beach marks and fine fatigue striations distributed at the zone between beach marks.Low-and-high cycle combined fatigue occurred to the blade.High centrifugal force combined with vibration stress caused low-and-high cycle combined fatigue of the blades.At last，improvement measures were proposed:improve structure of the blades in order to increase bearing capacity，decrease vibration stress of the blades，strictly control the casting quality，and carry out surface treatment of the blades in order to improve its fatigue resistance.

cooling fan blade；fatigue fracture；low-and-high cycle combined fatigue；stress

V232.4

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.02.008

1673-6214（2016）02-0100-05

2016年1月11日

2016年3月5日

张博（1983年-），男，硕士，主要从事材料科学技术等方面的研究。