某型航空发动机压气机二级转子叶片掉块故障分析

马劲夫 许进升/ 南京理工大学 2 四达机械制造公司

0 引言

航空发动机压气机的功用是实现空气压缩，并供给燃烧室所需的压缩空气，同时还起到发动机和机翼防冰、座舱增压加温等作用。压气机部件的主要故障为叶片烧蚀、裂纹、掉块。发动机工作过程中如果出现压气机叶片掉块故障，往往伴随着飞机喘振、发动机转速下降等现象，最终可能导致发动机返厂排故，影响了部队的作战训练。因此，研究解决此类故障对保证航空发动机的正常使用有着重要意义。

某台发动机飞行后地面检查发现压气机二级转子铝叶片排气边有1 处30mm×40mm 的掉块，本文对其故障原因进行分析，以制定相应的排故方案和预防措施。

1 故障原因初步分析

该型发动机压气机为8 级轴流式结构，前6 级转子叶片的材料为LY2。一至三级转子叶片外表面有铬酸阳极化保护层，但其防护能力不足，叶片容易被外来物打伤，产生腐蚀。在发动机工作过程中，如出现较大周期性外加激振力且等于叶片自振频率时，也可能导致压气机叶片掉块。另外，在生产过程中如出现叶片型面不满足设计要求等质量问题也会导致叶片掉块故障。环境腐蚀影响同样可能导致叶片掉块、折 断。

2 故障排查及处置

2.1 断口宏观观察

故障叶片的掉块位于叶片叶尖排气边侧，宽约28mm，长约30mm，呈弧形（见图1）；断口呈疲劳特征，由叶尖与叶盆侧转接部位起源，沿叶身纵向扩展一定长度后转向排气边扩展，疲劳区面积约占断口面积的90%。

图1 断口宏观形貌

2.2 断口微观观察

切取故障叶片断口，电镜观察，疲劳源区位于叶尖与叶盆转接处（见图2），源区存在0.15mm×0.10mm 的沿晶开裂特征（见图3），晶面较为光滑（见 图4）。能谱分析结果表明，沿晶开裂区未见腐蚀性元素；源区附近叶盆面有宽约0.18mm、深约0.03mm 的损伤凹坑（见图5），凹坑向断面挤出变形，凹坑表面基本保留叶片原始形貌，从形貌判断，凹坑为砂石类物体打伤所致，打伤出现在叶尖开裂后。疲劳扩展区有明显弧线，条带细密（见图6）。从断口来看，叶尖与叶盆面的转接较为尖锐。

图2 疲劳源区特征

检查故障叶片叶尖摩擦发亮，未见异常刮蹭痕迹。显微镜下观察，叶尖表面可见大量沿晶微裂纹，微裂纹大多沿进排气边方向分布，局部区域呈网状特征（见图7）。在叶尖取样观察叶片剖面显微组织，从叶尖表面向下深约0.15mm 的区域内可见多条纵向沿晶微裂纹，该区域内晶界明显粗化，局部可见复熔球（见图8），表明该区域为过烧组织。其他区域显微组织未见异常（见图9）。断口及金相检查结果的综合分析表明，叶尖表面的沿晶微裂纹与疲劳源区的沿晶开裂特征为同一模式，均为过烧引起的沿晶 开裂。

用显微镜检查同台发动机其余二级转子叶片，发现2 片叶尖存在沿晶微裂纹，其中1 片叶尖表面均可见沿晶微裂纹，另外1 片叶片在靠近排气边三分之二区域可见沿晶微裂纹（见图10），该区域表面氧化膜不完整，靠近进气边区域氧化膜基本完整，未见沿晶微 裂纹。

3 原因分析及结论

综上分析认为，叶片在叶尖存在过烧引起沿晶微裂纹，降低了局部疲劳强度，加上叶尖与叶盆转接处R 较小，造成局部应力集中，在离心力、气动力、振动应力的共同作用下，叶片萌生疲劳裂纹并扩展断裂。

4 预防及改进措施

1）为了避免压气机转子铝叶片叶尖的应力集中，应严格按工艺要求对叶片叶尖端面与叶盆、叶背转接处R 以及叶尖尖角进行圆滑过渡，以保证叶片端面粗糙度符合要求。

2）按工艺要求严格控制车磨工序中粗加工、精加工的余量，防止压气机转子铝叶片车磨量选择过大，对叶片叶尖产生影响。

图3 沿晶区域尺寸

图4 沿晶区表面特征

图5 叶盆面损伤痕迹

图6 扩展区疲劳弧线特征

图7 网状裂纹特征200X

图8 叶尖过烧组织500X

图9 正常区域显微组织200X

3）压气机转子铝叶片车磨后应及时进行防腐蚀处理。

4）车工工序应保证压气机转子外径尺寸与外部机匣的配合间隙为上限，防止叶片在使用过程与机匣发生 刮蹭。

图10 同台同级叶片叶尖微裂纹200X