劉麗玉,金向明,陳 俊,高翔宇

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院,航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國航空工業(yè)集團(tuán)航空工業(yè)失效分析中心,北京100095;2.中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所,株洲 412002)

0 引 言

從20世紀(jì)50年代至今,航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)不斷朝著結(jié)構(gòu)緊湊化和高性能化方向發(fā)展。為了追求最短的時(shí)間、最少的投入和最低的成本,大多航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司都在基礎(chǔ)型發(fā)動(dòng)機(jī)之上,采用新工藝、新材料和新技術(shù)改進(jìn)氣動(dòng)設(shè)計(jì)和部件結(jié)構(gòu),以提高渦輪前溫度或增大流量,走上系列化發(fā)展渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的道路[1]。對(duì)于渦輪葉片的改型設(shè)計(jì),除了通過選材提高葉片的承溫能力,更重要的是葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),比如內(nèi)部冷卻空腔、氣膜孔等設(shè)計(jì),然而這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)勢(shì)必帶來應(yīng)力集中等問題。應(yīng)力集中的存在會(huì)顯著降低材料的疲勞強(qiáng)度[2-6]。對(duì)于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上燃?xì)鉁u輪葉片這一類帶結(jié)構(gòu)因素的零部件,很難直接進(jìn)行疲勞試驗(yàn),更多的是需要通過數(shù)值模擬來評(píng)估該處的應(yīng)力集中效應(yīng),從而確定零部件的可靠性。然而,在工程實(shí)際中大多機(jī)械零部件可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)并沒有考慮零件的應(yīng)力集中情況[7],或者很難確定出現(xiàn)應(yīng)力集中時(shí)的極限狀態(tài)函數(shù)的顯式,因此出現(xiàn)了很多因?yàn)閼?yīng)力集中而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)破壞和工程失效問題[8-9]。所以,研究結(jié)構(gòu)件由應(yīng)力集中帶來的工程失效問題,對(duì)于零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有十分重要的工程指導(dǎo)作用。

某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在廠內(nèi)整機(jī)試驗(yàn)運(yùn)行至656.4 h時(shí),其燃?xì)鉁u輪工作葉片在榫頭伸根段發(fā)生斷裂,打傷動(dòng)力渦輪葉片,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管噴火。該燃?xì)鉁u輪工作葉片的材料為DZ125定向高溫合金,榫頭伸根段設(shè)計(jì)了空心內(nèi)腔的冷卻結(jié)構(gòu)。為了找到葉片斷裂原因,作者采用熒光檢測(cè)、宏微觀形貌觀察、應(yīng)力分布模擬等方法,對(duì)其進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀斷裂形貌及裂紋檢測(cè)結(jié)果

整臺(tái)燃?xì)鉁u輪共有43件葉片,發(fā)生故障后分解檢查發(fā)現(xiàn):8#葉片在榫頭伸根段處沿橫向發(fā)生斷裂,整個(gè)葉身斷裂飛出,導(dǎo)致其他42件葉片出現(xiàn)由葉背一側(cè)向葉盆一側(cè)的擊打變形,并且進(jìn)氣邊葉尖因受8#葉片碎塊側(cè)擊發(fā)生局部斷裂而缺失;斷裂的8#葉片榫頭部分殘留在榫槽內(nèi),觀察殘留部分發(fā)現(xiàn),葉片排氣邊一側(cè)在伸根段斷裂,進(jìn)氣邊一側(cè)在緣板位置斷裂,見圖1。經(jīng)熒光檢查發(fā)現(xiàn),其余42件葉片中有3件葉片在與8#葉片斷裂部位相近的位置(排氣側(cè)伸根段相同高度處)存在熒光線性顯示,即存在裂紋。其中:編號(hào)21#和43#葉片的裂紋位于排氣側(cè)榫頭端面,裂紋斜向穿過減重孔,長度約為5 mm,兩側(cè)均未擴(kuò)展至葉背側(cè)和葉盆側(cè),如圖2(a)所示;編號(hào)23#葉片的裂紋位于葉背面排氣邊側(cè)伸根段,呈彎折狀沿橫向分布,長度約為4 mm,沿排氣側(cè)端面延伸,如圖2(b)所示。

圖1 燃?xì)鉁u輪8#葉片的宏觀斷裂形貌Fig.1 Fracture marcomorphology of gas turbine 8# blade

圖2 未斷裂葉片排氣側(cè)榫頭端面線性熒光顯示形貌Fig.2 Linear fluorescence morphology of blade exhaust side tenon end face of unfractured blades: (a) 43# blade and (b) 23# blade

由于葉片裂紋起源于內(nèi)腔,如果裂紋擴(kuò)展距離較短,未穿透葉片至外表面,則無法通過熒光檢查判斷是否開裂。為了確認(rèn)未檢出裂紋的葉片是否存在開裂,隨機(jī)挑選了2件燃?xì)鉁u輪工作葉片,在裂紋起始部位附近進(jìn)行縱向剖切,觀察伸根段冷卻腔內(nèi)表面,發(fā)現(xiàn)2件葉片均在排氣側(cè)內(nèi)腔通道表面出現(xiàn)多條斷續(xù)狀裂紋,如圖3所示。

圖3 外表面無裂紋葉片的伸根段冷卻腔內(nèi)表面形貌Fig.3 Surface morphology of cooling chamber of extended root section of blade without cracks on outer surface

1.2 斷口形貌

采用LEICA DMS 1000型體視顯微鏡觀察8#葉片斷口形貌。由圖4可見:在8#葉片排氣側(cè)有長約9 mm的平坦斷面,呈現(xiàn)疲勞弧線特征,為疲勞斷裂區(qū),該區(qū)約占整個(gè)斷面面積的30%;進(jìn)氣側(cè)斷面粗糙,起伏較大,為瞬斷區(qū)。根據(jù)斷面宏觀棱線,疲勞裂紋源區(qū)位于排氣側(cè)第一冷卻腔轉(zhuǎn)角處的內(nèi)腔面,呈現(xiàn)大線源特征,裂紋向排氣側(cè)端面擴(kuò)展;葉背側(cè)的斷面由排氣側(cè)斷面疲勞裂紋擴(kuò)展形成,在第一冷卻腔和第二冷卻腔之間的間隔墻附近萌生了次生裂紋,次生裂紋向葉背外表面擴(kuò)展。

圖4 8#葉片斷口宏觀形貌Fig.4 Fracture macromorphology of 8# blade

采用CS3100型掃描電鏡觀察斷口微觀形貌。由圖5可見:8#葉片排氣側(cè)端面的疲勞裂紋源區(qū)呈現(xiàn)大線源特征,未見冶金缺陷;裂紋擴(kuò)展中后期出現(xiàn)鋸齒狀類解理臺(tái)階面和羽毛狀放射棱線,局部位置可見清晰細(xì)密的疲勞條帶特征。由此判斷,8#葉片發(fā)生了疲勞斷裂,且起裂應(yīng)力較大。

圖5 8#葉片斷口微觀形貌Fig.5 Fracture micromorphology of 8# blade: (a) low magnification morphology of crack source; (b) high magnification morphology of crack source and (c) fatigue strip morphology on mid-stage of crack growth

將21#葉片伸根段裂紋打開,采用CS3100型掃描電鏡觀察斷面形貌。由圖6可知:裂紋斷面上存在疲勞弧線,說明發(fā)生疲勞開裂,裂紋源位于排氣側(cè)伸根段第一冷卻腔表面;裂紋源區(qū)呈現(xiàn)數(shù)個(gè)分散弧形區(qū),說明萌生了多條微裂紋,裂紋由微裂紋擴(kuò)展連貫而成。未斷裂21#葉片和斷裂8#葉片的開裂性質(zhì)和裂紋源位置一致,可見斷裂葉片和開裂葉片的失效基本相同。

圖6 21#葉片裂紋斷面整體形貌和裂紋源區(qū)高倍形貌Fig.6 Overall morphology of crack face (a) and high magnification morphology of crack source (b) of 21# blade

將外表面無裂紋葉片伸根段冷卻腔內(nèi)表面裂紋(未擴(kuò)展至外表面)打開,由圖7可見開裂性質(zhì)為疲勞。綜上可知,該發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪工作葉片在伸根段開裂是普遍現(xiàn)象,且裂紋性質(zhì)和特點(diǎn)一致。

圖7 外表面無裂紋葉片伸根段冷卻腔內(nèi)表面裂紋斷面形貌Fig.7 Crack face morphology on inner surface of cooling chamber of extended root section of blade without cracks on outer furface

1.3 顯微組織

在其中1件冷卻腔內(nèi)表面開裂的葉片上,沿裂紋處縱剖金相試樣,磨拋后使用高溫合金腐蝕劑(10 g CuSO4+50 mL HCl+50 mL H2O)進(jìn)行腐蝕,采用Olympus GX51型光學(xué)顯微鏡和CS3100型掃描電鏡觀察開裂葉片冷卻腔內(nèi)表面裂紋擴(kuò)展形貌和基體顯微組織。由圖8可知:裂紋處于冷卻腔轉(zhuǎn)接過渡不良處,深度在60～70 μm;裂紋處基體組織未見疏松等冶金缺陷,γ′相未見回溶現(xiàn)象,組織未見超溫現(xiàn)象。

圖8 開裂葉片冷卻腔內(nèi)表面裂紋的擴(kuò)展形貌和基體顯微組織Fig.8 Crack propagation morphology (a) and microstructure of matrix (b) on inner surface of cooling chamber of cracked blade

2 開裂原因分析

整臺(tái)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的43件燃?xì)鉁u輪工作葉片中,1件葉片在榫頭伸根處發(fā)生斷裂,3件未斷裂葉片經(jīng)熒光檢查發(fā)現(xiàn)在相近位置發(fā)生開裂,且斷裂葉片的斷口和含裂紋葉片裂紋打開后形成的斷口均存在典型的疲勞特征,裂紋均起源于排氣側(cè)內(nèi)部第一冷卻腔表面。剖切后發(fā)現(xiàn)其他熒光檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋的葉片在與斷裂葉片裂紋源相同的部位(排氣側(cè)內(nèi)部第一冷卻腔表面)均出現(xiàn)裂紋,且裂紋斷面特征和8#斷裂葉片斷口相似。因此分析認(rèn)為,燃?xì)鉁u輪工作葉片的開裂機(jī)制相同,均為疲勞導(dǎo)致的開裂。

所有葉片裂紋起源位置相同,均在榫頭伸根段靠排氣側(cè)的第1個(gè)冷卻通道出現(xiàn)轉(zhuǎn)接的位置,裂紋長度不一,但裂紋源區(qū)特征均為大應(yīng)力起源特征(大線源或多線源);裂紋擴(kuò)展到一定階段后由大應(yīng)力擴(kuò)展特征轉(zhuǎn)為高周疲勞擴(kuò)展特征(出現(xiàn)鋸齒狀類解理臺(tái)階面和羽毛狀放射棱線)[10],且疲勞條帶細(xì)密。這說明裂紋萌生時(shí),局部應(yīng)力高,即呈現(xiàn)大應(yīng)力起源,而擴(kuò)展一定階段后的交變應(yīng)力相對(duì)低。整體看,斷裂葉片疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的面積相對(duì)較小,該部位應(yīng)力水平整體較高[11]。同臺(tái)葉片隨機(jī)抽檢結(jié)果顯示,在排氣側(cè)第一冷卻腔轉(zhuǎn)角處的內(nèi)腔表面部位均出現(xiàn)開裂,表明該部位的大應(yīng)力疲勞開裂是普遍現(xiàn)象,因此重點(diǎn)對(duì)其大應(yīng)力的原因進(jìn)行分析。

榫頭部位設(shè)計(jì)的冷卻通道結(jié)構(gòu)在起源位置出現(xiàn)較大角度的轉(zhuǎn)角,這種結(jié)構(gòu)的突變?nèi)菀自斐珊艽髴?yīng)力集中,但在前期設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)未考慮應(yīng)力集中問題。采用ANSYS軟件對(duì)葉片進(jìn)行建模,劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件后進(jìn)行應(yīng)力分布計(jì)算。由圖9可知,在同等邊界條件和外加載荷下,該型葉片榫頭內(nèi)腔轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力水平較大,最大應(yīng)力達(dá)到2 036.7 MPa,是參考型號(hào)燃?xì)鉁u輪工作葉片(榫頭部位同樣設(shè)計(jì)了冷卻結(jié)構(gòu))最大應(yīng)力的2倍。有限元計(jì)算結(jié)果說明該型葉片榫頭冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不佳,導(dǎo)致故障部位應(yīng)力水平過高。綜上,故障部位應(yīng)力水平高是導(dǎo)致燃?xì)鉁u輪葉片斷裂和開裂的原因。后進(jìn)行設(shè)計(jì)修改冷卻結(jié)構(gòu),加大了轉(zhuǎn)角半徑,經(jīng)廠內(nèi)試車和外場(chǎng)使用驗(yàn)證,改進(jìn)后的葉片再未出現(xiàn)開裂故障,榫頭位置的應(yīng)力明顯降低。

圖9 模擬得到燃?xì)鉁u輪工作葉片的應(yīng)力云圖Fig.9 Simulation stress nephogram of gas turbine working blade:(a) faulty type and (b) reference type

3 結(jié) 論

(1) 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪葉片在榫頭伸根段發(fā)生疲勞斷裂,疲勞裂紋起源于榫頭伸根段排氣側(cè)內(nèi)部第一冷卻腔內(nèi)表面。

(2) 該型葉片的榫頭冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未考慮應(yīng)力集中問題,其冷卻通道出現(xiàn)較大轉(zhuǎn)角,導(dǎo)致該位置應(yīng)力水平過高,這是燃?xì)鉁u輪葉片斷裂和開裂的原因;加大轉(zhuǎn)角半徑對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后,應(yīng)力水平下降,試運(yùn)行時(shí)葉片再未出現(xiàn)開裂故障。