发动机低压Ⅰ级涡轮叶片榫头断裂分析与预防

陶 敏，欧阳雪珍，王晓娟，洪 力

(1．襄阳航泰动力机器厂，湖北襄阳441002;2．国防科技大学 智能科学学院，长沙410073)

0 引言

叶片是航空发动机的重要零件，由于其工作环境恶劣，出现断裂的概率相对较高［1-4］。榫头处断裂失效带来的危害最大，王小飞等［5-8］对涡轮叶片榫头/涡轮槽接触配合间隙的影响进行研究，阐述了叶片榫头尺寸/跨棒距设计与控制是叶片榫头疲劳断裂失效的关键因素。叶片榫头尺寸/跨棒距的问题一般分为3类:一是设计不当，特别是由于材料以及热膨胀系数的差异，导致在不同温度下工作时榫头接触不良;二是加工控制过程中的公差所致;三是叶片的其他工艺导致榫头接触部位偏离设计要求。

发动机经返厂后分解检查，发现低压I级涡轮叶片榫头转接R处根部发生断裂，涡轮叶片材质为K403铸造高温合金。故障叶片发生在装机使用80 h 41 min后，总使用时间1 329 h 59 min。叶片疲劳断裂失效件很多，但叶片榫头出现可能性很少。本研究对断口叶片的外观、断口宏观及微观进行检查分析，找出叶片榫头断裂原因并提出改进建议，对今后涡轮叶片榫头尺寸/跨棒距失效及预防具有深远的意义。

1 试验过程与结果

1．1 外观检查

低压I级涡轮叶片从第一榫齿与伸根段转接R处发生断裂，趋近于榫槽根部，距榫头头部约8 mm，残留断裂叶片无叶冠及叶身(图1)。

图1 叶片断裂整体外观Fig．1 Overall appearance of blade fracture

1．2 断口分析

宏观观察可见，断口较齐平，断口附近无明显的塑性变形。断口可分为疲劳区和瞬断区两部分:疲劳区位于榫槽根部，面积约占整个断口面积的60%，该区有明显的放射棱线和疲劳弧线;瞬断区呈灰色，形貌粗糙(图2)。

图2 叶片榫头断口宏观形貌图Fig．2 Macroscopic appearance of blade tenon fracture

将断口用超声波清洗后在扫描电镜下进行微观观察，疲劳裂纹主要起始于榫槽根部，为多源线性疲劳断裂(图3)，疲劳扩展区有明显、致密的疲劳弧线和条带特征(图4)。瞬断区形貌为韧窝特征。叶片断口起源可见表面渗层厚度约为54 μm。叶片榫头榫齿面均有明显的微动磨损特征，未见其他异常。

1．3 金相组织分析

抽取发动机2片叶片进行金相检查发现，γ'相形状均为方形，排列规则，分布均匀，未见过热过烧特征(图5)。

图3 疲劳源区Fig．3 Fatigue source area

图4 疲劳扩展区微观形貌Fig．4 Micro morphology of the extension zone

1．4 能谱分析

对叶片榫头制样，抛光态进行能谱分析，对比渗铝层、扩散层、基体及K403成分标准要求，渗层组织中的Al含量大于24%(表1)。

图5 叶片显微组织Fig．5 Microstructure of blade

表1 化学成分分析结果(质量分数 /%)Table 1 Results of chemical composition analysis(mass fraction/%)

1．5 疲劳模拟试验

由于涡轮叶片承受多项载荷(如离心力、气流、温度及机械振动等)［9-10］，针对渗铝叶片榫头跨棒距尺寸对寿命的影响开展研究。在实验室模拟发动机低压I级涡轮工作叶片实际工作环境的应力、温度等载荷条件下，对其开展高低周复合疲劳试验研究。

根据理论有限元模型计算，最大应力出现在叶片转接R处;叶片发生故障时，故障部位位于叶片榫头转接R处。结合理论计算和故障叶片分析，确定低压I级涡轮工作叶片考核部位为叶片转接R处。

渗铝层厚度为30 μm，跨棒距合格，已使用1000 h的叶片技术寿命与已使用1 250 h和已使用1500 h未渗铝叶片的技术寿命差别不大;渗铝层厚度为30μm，跨棒距超差，已使用1000h的叶片技术寿命比已使用1 250 h未渗铝叶片技术寿命下降39．8%循环，比已使用1 500 h未渗铝叶片技术寿命下降29．2%循环。

2 分析与讨论

2．1 疲劳断裂产生的原因

从叶片断口形貌能够看出，裂纹的扩展具有明显的疲劳扩展棱线和疲劳弧线［11］，为典型的疲劳断裂。对裂纹源区的检查发现，裂纹具有明显的线性源区特征，源区表面渗铝层厚度约为54 μm，对比工艺文件，叶片榫头不允许进行渗铝。现场工艺检查，发现榫头防护不当，导致榫头可能被渗铝层污染，进一步说明榫头渗铝对叶片疲劳断裂造成影响。经金相检查，γ'相形状均为方形，未见过热过烧特征，说明叶片组织正常;经能谱成分检测，除榫头表面有渗铝层，未见其他明显异常情况;检查榫头跨棒距尺寸超上限，加剧叶片疲劳寿命的降低。

叶片榫头渗铝污染导致榫头尺寸变大，榫头跨棒距超过上限值，发动机在渗铝前测量跨棒距，渗铝后未对跨棒距进行测量，导致跨棒距超过上限值的叶片投入使用。

2．2 跨棒距对疲劳断裂的影响

叶片榫头跨棒距超差，是渗铝工艺本身榫头防护手段不当引起的，导致叶片榫头受到挤压，叶片局部应力集中，容易形成疲劳源。

通过对单个叶片、成对叶片的静力计算分析和模态计算分析，可知:当叶片榫齿尺寸(即跨棒距)合格时，榫头伸根段转接R处静应力和振动应力最大;当榫头第二榫齿装配较紧时，第一榫槽处静应力和振动应力最大;当榫头第一榫齿和第二榫齿装配都比较紧时，榫头转接R处静应力和振动应力最大。这说明若叶片榫头跨棒距不合格，第一榫齿处、榫头转接R处都可能为最大应力区，第一榫齿也可能发生疲劳断裂。因此，渗铝工序后建议增加跨棒距测量，对第一榫齿、榫头转接R处进行裂纹检查。

2．3 渗铝层对疲劳断裂的影响

从疲劳源的特征来看，榫头断口为多源疲劳断裂，而且每个疲劳源都是线源，源区没有发现冶金缺陷、工艺缺陷、再结晶等诱发因素［11］。因此，可以推断，产生榫头断裂/裂纹故障的起始应力较大，在榫头断裂部位出现了难以承受的大应力，导致诱发多条微裂纹，最终导致榫头发生多源疲劳断裂。

渗铝层主要作用是提高叶片的抗氧化腐蚀能力，但存在一定脆性倾向，在提高叶片抗高温氧化腐蚀能力的同时，对其抗疲劳性能存在一定负面影响。硬脆的渗铝层会降低叶片材料的过负荷持久值，容易引起叶片过载损伤，使渗层崩裂，形成表面微裂纹，诱发疲劳裂纹萌生、扩展［12］。能谱成分分析表明，在榫头断裂起源部位均有渗铝层存在。虽然工艺要求榫头部位不进行渗铝，但实际上，经过制造、修理几次后，故障发动机叶片榫头R转接处产生了厚度为30～50 μm的渗铝层，为叶片发生断裂埋下隐患。

2．4 高低周复合疲劳试验模拟

发动机涡轮叶片在外场飞行时的工作环境非常复杂，在实验室研究涡轮叶片的疲劳寿命时，不可能完全模拟整个叶片实际工作时的环境。叶片在实际使用过程中，其寿命是由薄弱部位的寿命来决定的，只要试验时能模拟出其薄弱部位的载荷特征，就可以得到实验室条件下的寿命，通过载荷谱的等损伤换算，得到叶片在外场工作条件下的技术寿命。

据相关研究资料表明，渗铝层厚度越深，叶片技术寿命下降越明显;渗铝层深度不超过20 μm时，对叶片疲劳寿命影响不大;渗铝层深度在30 μm左右时，叶片疲劳寿命降低约30%;渗铝层深度大于40 μm时，渗铝层成为微裂纹萌生并快速扩展的主要因素。另外，对9台返厂发动机叶片进行剖片处理，发现跨棒距合格的叶片榫头渗铝层深度均在30 μm以内。因此，选取叶片榫头渗铝层深度为30 μm作为模拟疲劳试验的考核点，高低周复合疲劳试验作为叶片后期使用技术寿命评判的重要依据。

3 结论与建议

1)叶片断口性质为多源线性疲劳断裂，疲劳裂纹起源于榫槽根部。

2)根据模拟疲劳试验的结果可以判断，叶片榫头有渗铝层将会减弱叶片的抗疲劳性能。

3)导致故障叶片产生疲劳断裂的原因是榫头防护不当，产生一定深度的渗铝层，减弱了叶片的抗疲劳性能，使发动机叶片在交变应力的作用下产生疲劳裂纹。

4)鉴于渗铝工艺可能造成批次性问题，建议渗铝工艺采用严格的防护手段保护叶片榫头。

5)渗铝工序后建议增加跨棒距测量，对第一榫齿、榫头转接R处进行裂纹检查。

6)对于渗铝层厚度为30 μm以内、跨棒距合格的发动机叶片，可以使用。