航空发动机压气机叶片黑斑的形成原因分析

2021-04-15

工程技术研究 2021年5期

贵州黎阳航空动力有限公司，贵州贵阳 550014

压气机转子叶片工作环境十分恶劣，在工作状态下主要承受气动负荷、离心负荷、振动负荷、热负荷、榫头微动损伤等。例如，如果地面有沙石吸入，易打伤叶片；如果空中有鸟类撞入，会打断叶片；如果在沿海受到盐雾腐蚀，会诱发叶片疲劳裂纹萌生、扩展，直到断裂。压气机转子叶片应具有较高的组织稳定性，在温度和应力长期作用下，不析出有害相，保持材料组织稳定，不降低叶片的使用性能[1-2]。

某发动机压气机用钛合金叶片在精锻后进行化铣加工时，发现叶片叶身局部位置出现表面黑斑，对叶身表面进行打磨后重新化铣，其黑斑仍存在。为研究叶片黑斑的形成原因，规避叶片使用的安全隐患，现针对叶身表面的黑斑形成原因进行分析。

1 宏观分析

对产生黑斑的叶片进行宏观检查，叶片的黑斑位于叶身中部，其中叶盆侧黑斑尺寸约为3mm×3mm，与之对应的背侧黑斑尺寸约为1.5mm×1.5mm，如图1所示。在体视显微镜下观察，叶片的黑斑位置未见开口特征。

图1 叶片黑斑形貌

2 微观分析

在叶片黑斑位置和正常位置取样进行金相检查，金相检查的方向为平行于表面方向。腐蚀前观察，黑斑位置形貌与正常位置相同，未见异常。腐蚀后观察，发现黑斑位置易受腐蚀，其腐蚀后颜色偏深，在金相显微镜下观察，黑斑位置的显微组织为初生长条α+β转，缺陷位置的次生α较为明显，呈条状；正常位置的显微组织也为初生长条α+β转，但次生α呈隐针状；同时，正常位置的初生α含量略低于缺陷位置，如图2、图3所示。在表面方向，叶片缺陷位置和正常位置长条α最大尺寸分别为0.09mm和0.16mm。

图2 叶片表面组织形貌（100×）

图3 叶片表面组织形貌（500×）

在叶片缺陷位置和正常位置沿叶身纵向和横向取样进行组织检查，腐蚀前观察，纵向和横向试样均未见异常；腐蚀后观察，纵向试样的组织与表面试样相同，黑斑位置易受腐蚀，缺陷位置和正常位置的显微组织均为初生长条α+β转，缺陷位置的次生α较为明显，呈条状；正常位置的次生α呈隐针状；正常位置的初生α含量略低于缺陷位置，如图4、图5所示。叶片纵向缺陷位置和正常位置长条α最大尺寸分别为0.05mm和0.05mm，符合相关技术要求。

图4 叶片叶身纵向组织形貌（100×）

图5 叶片叶身纵向组织形貌（500×）

横向试样缺陷位置组织为初生块状α+β转，正常位置的显微组织均为初生块状和少量长条状α+β转，正常位置的初生α含量略低于缺陷位置，缺陷位置的次生α较为明显，如图6、图7所示。所有方向的缺陷位置均未见过渡区组织。

图6 叶片叶身横向组织形貌（100×）

图7 叶片叶身横向组织形貌（500×）

在叶片的缺陷位置和正常位置进行显微维氏硬度检查，试验荷载为300g，荷载加载时间为10s。试验结果如表1所示。显微硬度检查的结果表明，缺陷位置的维氏硬度HV0.3略低于正常位置。

表1 叶片显微维氏硬度检查结果单位：HV0.3

在扫描电镜下对叶片纵向缺陷位置和正常位置进行检查，缺陷位置和正常位置形貌如图8、图9所示，缺陷位置和正常位置的组织形貌相似，均为初生长条α+β转，缺陷位置的次生α较为明显，呈条状；正常位置的次生α呈隐针状。

图8 叶片叶身纵向SEM形貌一

图9 叶片叶身纵向SEM形貌二

分别在缺陷位置和正常位置各取3个区域进行能谱成分分析，结果如表2所示。能谱成分分析的结果表明，缺陷位置和正常位置的成分相近，缺陷位置的Al、Zr含量略高于正常位置（约为0.1%）。

表2 能谱成分分析单位：mass%

3 综合分析

压气机叶片在精锻后进行化铣加工时，发现叶片叶身位置存在黑斑，黑斑形貌相似，大小略有不同，且在叶盆和叶背的对应位置均有显示。对叶片进行观察，叶片黑斑位置均未见开口特征。对黑斑位置和正常位置进行组织检查，在表面方向，叶片缺陷位置和正常位置长条α最大尺寸分别为0.09mm和0.16mm，其满足相关检查标准要求，如果长条α尺寸超标，在后续表面腐蚀时，会引起零件表面出现亮条纹[3]。在纵向和横向两个方向，黑斑位置和正常位置的显微组织均符合要求。对以上三个方向进行检查，均未发现黑斑位置存在过渡区组织。

分别对黑斑位置和正常位置进行显微维氏硬度检查，黑斑位置的硬度略低于正常位置，对其进行能谱成分分析可知，黑斑位置Al、Zr含量略高于正常位置（约为0.1%），这两点表明黑斑处相对正常位置为局部富Al、Zr的硬偏析。在钛合金中，Al为稳定元素，Zr为中间元素，在对缺陷位置和正常位置进行高倍检查时，发现缺陷位置的次生α呈长条状，而正常位置的次生α呈隐针状，致使黑斑位置组织较正常位置更易受腐蚀。另外，次生α形态差异的存在可明确表明叶片在锻造过程中，组织转变不均，这与其所处的变形量、变形速率及温度场的不均有关[4]，从而使叶片缺陷位置与正常位置的形貌表现产生明显差异。