航空发动机压气机转子叶片开裂原因分析*

2022-12-21刘明坤刘国良韩振宇佟文伟吴才广

风机技术 2022年5期

刘明坤刘国良韩振宇佟文伟吴才广

（1.中国航发沈阳发动机研究所；2.西安航空发动机有限公司技术中心）

0 引言

压气机是航空发动机结构中的关键组件之一，其主要作用是对流经的空气进行压缩，提高空气的压力，为燃气膨胀做功创造条件，改善发动机的适航经济性，提高推力[1]。压气机转子叶片由于数量多、形体单薄、转速高，以及载荷、工况复杂，使其成为使用中故障率较高的零部件之一，对发动机的安全造成严重影响[2]。转子叶片最常见的失效模式为疲劳，引起叶片疲劳失效的原因多种多样，主要包括共振、腐蚀、材质缺陷、微动损伤、叶尖碰磨等[3-5]。国内外学者对共振、微动损伤、叶尖碰磨等原因导致的失效模式研究较多[6-10]，随着冶炼和制造工艺的提高，材质缺陷引起的故障模式研究报导较少。

某发动机压气机使用12h45min后分解检查发现压气机1 个转子叶片在排气边出现裂纹。裂纹穿透叶片厚度方向。叶片材料为GH4169，通过精锻成型。叶片设计和制造工艺已经过长时间的使用验证，正常情况叶片工作中受到的振动应力很小，短时间内不会出现裂纹的问题。而本次叶片裂纹出现的时间短，位置异常，因此需要研究裂纹性质和开裂原因，定位异常因素，避免类似故障的再次发生。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

故障叶片裂纹部位宏观形貌见图1，裂纹距缘板约11mm，基本垂直于叶片排气边，沿叶身弦向由排气边向进气边扩展。裂纹在叶身厚度方向裂透，叶盆侧扩展长度约为7mm，叶背扩展侧长度约为5mm。

图1 裂纹部位宏观形貌Fig.1 Macroscopic appearance of crack location

1.2 断口形貌

断口宏观形貌见图2，断面呈V型，分为三部分，中心区、叶背侧区、叶盆侧区（见图2），中心区面积较大，叶盆和叶背侧区域面积较小。

图2 断口低倍形貌Fig.2 Low morphologies of fracture

断口中心区存在多条沿叶片弦向的灰色条纹，呈木纹状特征，如图3（a）所示。灰色条纹内为颗粒物形貌，如图3（b），灰色条纹间为断面特征，可见韧窝形貌，3（c）所示。叶背侧和叶盆侧断口均为疲劳（见图4），裂纹起源于中心木纹状区域，呈多源特征，扩展区可见疲劳条带形貌（见图5）。

图3 断口中心区微观形貌Fig.3 Microscopic morphology of fracture center

图4 叶盆侧和叶背侧断口微观形貌Fig.4 Micro morphology of fracture surface on basin side and back side of blade

图5 断口扩展区疲劳条带Fig.5 Fatigue striations of extension region

1.3 显微组织

垂直断口取截面试样进行组织观察，中心木纹状区域约占整个断口截面的55%，叶盆侧和叶背侧疲劳区面积相当，如图6 中标注所示。扫描电镜下观察，断口附近裂纹部位存在呈带状分布的黑色颗粒物，裂纹沿带状颗粒物扩展（见图7）。表明带状颗粒物部位强度偏弱，易于裂纹的萌生和扩展。

图6 断口截面低倍形貌Fig.6 Low morphology of fracture cross section

图7 黑色颗粒物形貌Fig.7 Morphology of black particulates

1.4 成分分析

对断口灰色条纹内颗粒物和显微组织中的颗粒物分别进行能谱分析，结果见表1。颗粒物成分相近，含有大量的O元素，同时Al，Ti元素明显偏高，黑色颗粒物应为Al，Ti元素的氧化物。

表1 颗粒物化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of particles(mass fraction)

1.5 锻造模拟试验

黑色颗粒物产生有两方面的可能，一是原材料中所携带，二是锻造工艺中引入。锻造中最可能引入外物的为折叠缺陷，因此为了确定叶片中黑色颗粒物是否为折叠缺陷引入，人为制造出折叠缺陷，并对其进行分析。将折叠打开，断面平坦，无明显断裂特征，表面氧化严重，润滑剂附着在断口表面（图9中所示）。折叠起始于表面，开口较大，与表面呈一定的角度，腐蚀后观察，折叠两侧组织不匹配，晶粒差异大（图10 所示）。这些特征均与故障叶片裂纹形貌及断口特征不同。

图9 折叠断口形貌Fig.9 Morphology of folding fracture

图10 折叠金相组织Fig.10 Metallographic structure of folding defects

1.6 锻造和原材料工艺复查

采用DEFORM 软件，从棒料到叶片的锻造过程进行了全流程模拟仿真[11]，模拟效果见图11，各阶段变形区域稳态流动，未出现开裂、折叠等锻造缺陷，飞边分布均匀，锻件充填良好。根据裂纹在叶片出现的位置，对模拟结果进行了点追踪分析，确定缺陷在原材料状态时位于棒料R/2位置附近。

图11 锻造工艺过程模拟效果图Fig.11 Simulation effect diagram of forging process

原材料制备工艺复查：原料准备→配料→真空感应炉熔炼→浇注Φ430mm 电极→电极车光→化学分析→真空自耗炉重熔→铸锭剥皮→铸锭均匀化处理→锻造开坯（Φ170mm）→坯料表面磨光→超声波检查→坯料均匀化处理→轧机开坯（45方）→坯料清理表面→轧机成材（Φ24mm）→棒材表面磨光至Φ22mm→超声波检查→高、低倍和力学性能检查→光谱检查→外观和标识检查→包装入库。复查原始工艺记录发现锻造开坯（Φ170mm）后，超声波检查料头和料尾杂波超标，切除料头后未进行复探，直接扎制存在头尾缺陷未切净的风险。Φ22mm 棒材探伤时，由于采用的是双晶探头接触法探伤，两晶片并行排列间距约29mm。因此，由于探头晶片结构的限制，棒材端头存在长度约20mm的超声波检测盲区（如图12所示），原有缺陷可能被漏检。

图12 超声检测时棒材端头检测盲区示意图Fig.12 Schematic diagram of steel bar ends dead zone during ultrasonic testing

2 分析与讨论

检查与分析结果表明，高压压气机转子叶片开裂性质为疲劳。疲劳起源于内部缺陷，由内部向叶盆、叶背表面扩展。内部缺陷整体形貌呈木纹状[12-14]，由多条沿弦向的灰色条纹组成，灰色条纹中含有大量黑色颗粒物，条纹间为撕裂断面特征。木纹状缺陷区域位于叶片内部，在叶片表面未见明显的开口，属于内部缺陷。由锻造工艺反向仿真分析可知，缺陷位于棒材径向R/2位置附近，进一步说明缺陷为一种内部缺陷。

高压压气机转子叶片锻造的主要变形工序为挤杆→镦头→预锻→终锻，为精密锻造工艺。从工艺流程来看，易形成叶身缺陷的工序应为挤杆、预锻、终锻。挤杆过程可能形成锻造折叠缺陷，该类缺陷在叶片表面有明显开口，断面较平，无明显断口特征；组织上，折叠两侧组织不匹配，晶粒差异大[15]。而本文中的缺陷为内部缺陷，在叶片叶身表面未开口，断面呈木纹状，灰色条纹夹在断面之间，断面形貌呈韧窝特征，断口附近晶粒均匀，组织正常。由以上比较分析可知，裂纹件断口内部缺陷与锻造折叠明显不同，排除锻造折叠的可能性。预锻和终锻阶段可能形成锻造裂纹，裂纹应从外表面向内部开裂，表现为叶片表面裂纹尺寸宽，内部裂纹尺寸窄，与故障叶片木纹状形态不相符，排除锻造裂纹的可能性。综上，叶片内部缺陷可能来源于原材料冶炼阶段。

内部缺陷灰色条纹中存在O，Al，Ti 元素含量相对较高的氧化物颗粒，所含元素均为GH4169合金本身含有的合金元素如Al，Ti。复查原材料冶炼工艺可知，原材料采用的双真空冶炼，冶炼过程不会引入炉渣，因此排除氧化夹渣[16]的可能性。GH4169合金在真空感应炉熔炼过程有意添加铝和钛元素，由于精炼后期金属熔池仍残余约20ppm 氧含量，因此不可避免会与铝、钛等易氧化元素发生反应生成氧化物。在正常熔炼阶段，当工艺参数稳定时，金属熔池的液体流动方向是由中心底部上升，然后沿液面径向360°流向熔池边缘[17]。但在起弧阶段或充填阶段，由于工艺定参数的调整和变化，会产生洛伦兹力，导致金属熔池液体流向与正常熔炼过程相反，由熔池边缘沿液面径向聚集到中心，并流向熔池中心底部，然后沿熔池弧形底线平行迁移。这种情况下，熔池液面上漂浮的夹杂物可能被卷入熔池中心底部，来不及迁移到边缘就凝固在铸锭中。且在超声波检测时，棒材端部存在杂波，切除料头后未进行复探，存在切除不净的风险。在扎制和叶片锻造过程中，氧化物夹杂变形碎化，形成条带状分布的氧化物夹杂。氧化物夹杂形成的带状区域破坏了基体合金的连续性，而且塑性偏低[18]，而GH4169 合金塑性较好，在变形和受力的情况下氧化物夹杂区域极易发生开裂，形成裂纹源。同时，高压压气机转子叶片尾缘厚度较薄，由于缺陷的存在使叶片的有效承载面积降低较大，等效静应力水平大幅度提高，导致缺陷位置首先萌生裂纹，在弯曲振动应力作用下向叶片表面扩展。