航空发动机涡轮叶片失效分析

航空发动机涡轮叶片失效分析

袁明

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150001

摘要：发动机涡轮叶片在成品检验和工厂试车后检验时，发现大量叶片榫头存在聚集性点状显示。某型发动机大修时，荧光检查发现涡轮转子叶片榫齿有裂纹，为该系列发动机修理中首次发现采用扫描电镜观察和金相分析，研究了荧光显示部位缺陷的性质及其产生的原因。结果表明荧光显示部位存在明显的显微疏松，摔头处有清晰的磨削痕迹，局部有微裂纹。显微疏松在磨削应力作用下局部撕裂，磨削痕迹使显微疏松连接成片，从而导致聚集性荧光显示。

关键词：涡轮叶片；裂纹；失效

涡轮发动机叶片作为航空发动机中最重要的关键部件之一，在很大程度上决定了发动机性能。在高速运转的状态下，涡轮叶片需要同时承受着离心力、热应力、振动应力以及气动应力等各种复杂交变载荷，而且随着工作温度和载荷循环次数的变化，受力状态较为复杂，在高温下工作的涡轮叶片极有可能出现蠕变损伤和疲劳损伤，在工作中出现失效的概率较高。

目前，高温合金已被广泛地应用在制造航空发动机的热端部件上。随着发动机性能的不断提高，对高温合金力学性能和承温能力的要求也越来越严格。为了更好地适应需求，镍基高温合金经历了等轴晶、定向凝固柱状晶和单晶的发展历程。柱状晶合金由于消除了与应力轴垂直的横向晶界，使其具有优异的高温力学性能，同时柱状晶叶片的制造成本一般小于单晶合金，因此大量三代、四代航空发动机选用定向柱晶涡轮叶片。涡轮叶片主要采用熔模铸造成形，叶片榫齿作为叶片与涡轮盘的关键装配部位，其尺寸精度要求较高，需要对叶片榫齿部位进行磨削加工。铸造高温合金多用于一些关键的高温承力部件，如叶片、盘等。铸造镍基高温合金合金化元素高，加之叶片形状和结构的复杂性，夹杂是铸造高温合金中常见的一类冶金缺陷。夹杂等内部冶金缺陷的存在，不仅会破坏基体连续性，而且会使零件性能出现很大的差异，尤其是一些超标的夹杂缺陷的存在，容易在缺陷处产生应力集中，导致裂纹萌生，最终有可能引发疲劳断裂。尤其对于航空航天领域的叶片、盘一类的转动部件，一旦发生断裂，将造成灾难性的后果。因此，对于发动机上的涡轮叶片，一般都要求很高的冶金质量，以满足发动机的长寿命和高可靠性工作的要求。一般来说，夹杂作为一种存在于基体内部的冶金缺陷，超出一定尺寸，可以通过超声、X射线无损等检测手段检出，不管是超声还是X射线检测，只有当声束或光束与缺陷垂直时，缺陷最容易检出。但事实上，受缺陷尺寸、形状与检验角度的局限，很难将缺陷完全检出，尤其是对于一些一维线状缺陷或二维的平面状缺陷，当入射的角度与缺陷平行，底片上的投影将是一个点或者一条短线，对缺陷的尺寸会造成误判，导致漏检或者错检。事实上，缺陷是产生出来的，而不是检测出来的，因此，研究缺陷产生的原因，从源头上去控制和消除缺陷，而不是寄希望于各种检测手段，才能从根本上杜绝冶金缺陷带来的危害。

沿着“裂纹断口”侧面抛制金相截面。观察抛光态截面可见，在对应“裂纹断口”区域，类似基体表面覆着一层厚度约为几μm的不致密的金属层。能谱分析发现，此不致密的金属层除基体主元素和O元素外，还可检测到较高含量的Hf元素，因此，此不致密层与断面上的氧化层对应。腐蚀后观察可见，断口附近基体显微组织为γ+γ'、共晶、碳化物等，组织未见异常，未见超温特征。

对比故障叶片与该台发动机其余叶片榫头工作面的磨损情况，故障叶片榫头磨损宏观形貌与其余叶片相似，为工作面在应力作用下的正常微动磨损。裂纹起源于榫齿根部，该部位在工作时与榫槽不接触，实际检查该处时也无接触磨损痕迹。沿故障叶片第一道榫齿根部裂纹附近剖开断面，宏观观察断面，断口呈现线源开裂，裂纹沿榫齿根部向下扩展，表面氧化严重，源区未见机械损伤、异常磨损和腐蚀痕迹。金相分析表明，叶片组织正常，无过热过烧，无渗铝硅铱污染。从断口分析可知，榫头裂纹源区为线源开裂，无机械损伤、异常磨损和腐蚀特征。线源开裂说明叶片开裂起始应力较大，由于叶片榫头与盘榫齿属间隙配合，可在一定范围内活动，可见起始大应力非装配应力，应为非正常的工作应力，工作大

应力的产生可能为盘与叶片配合不良或发动机超载工作所致。涡轮I级转子叶片工作在高温高转速下，承受气流激振应力、温度交变循环应力、较大离心力。叶片的离心力主要由榫头的榫齿承受，每道榫齿与榫槽为均匀配合状态，在叶片工作时共同承受离心力。当涡轮叶片榫头与涡轮盘榫槽配合不均匀时，将导致个别榫齿与榫槽的异常接触，而其余榫齿无法产生有效的面接触，个别榫齿承受的离心力会超过设计要求。榫齿在较大离心应力作用下，加之叶片工作过程中气流激振导致持续的高频低振幅振动，将导致大应力区萌生疲劳裂纹。从故障叶片型面检查来看，榫头型面尺寸基本未偏离设计值，但是与同级其余叶片相比发现各榫齿磨损量不均匀。故障叶片对应的涡轮盘榫槽型面尺寸也未偏离设计，但是叶片榫槽根部R尺寸在叶背面小于叶盆面。根据涡轮盘榫槽加工过程分析，此处R的差异可能是加工过程控制不当所致，此差异可能导致该榫槽与叶片榫头配合不均匀。四种状态共80个样品叶片的活动量测量结果也反映出榫槽安装叶片后切线活动量偏小，盘、片配合未达到设计要求。

显微疏松虽然不可避免，但程度可以减轻。在工艺规程规定范围内适当调整工艺参数，降低拉晶速度，延长拉晶时间后，将生产的叶片采用双氧水进行晶粒度腐蚀，腐蚀后观察到柱状晶一直生长到榫头冒口顶部，远超出榫头处高度，无异常情况。任取其中一件做显微疏松检查，结果未见明显的聚集性显微疏松。

叶片的加工表面十分粗糙，表明磨削时磨削量较大，而较大的磨削量不可避免地会造成加工时磨削应力较大。叶片榫头处局部存在比较明显的显微疏松，显微疏松处质密程度低，在磨削应力的作用下撕裂，造成荧光聚集性显示。另一方面，磨削划痕与显微疏松连成一片，也可以造成荧光显示。在磨削时间或次数一定的情况下，磨削量与叶片毛坯榫头底面加工余量有关，在以后的生产中应进行实物检查，完善叶片榫头余量的检测方法，将总加工余量控制在铸件图纸规定的中、下限，减小每次磨削的进刀量。划痕与最后一次磨削的精度有关，为减少划痕，可将磨榫齿顶面工序分成粗磨和精磨两道工序。通过精磨工序，该叶片是定向凝固成形，榫头部位最后成形，而且禅头部位较叶身处厚度明显加大，造成凝固后期补缩困难，形成显微疏松。造成显微疏松的主要影响因素有拉晶时间不足造成榫头处后期补缩不充分榫头处拉晶速度过快，造成榫头厚大处补缩不足拉晶速度的稳定性也是影响显微疏松问题的一个因素。

参考文献：

[1] 闻腾炬.某型发动机涡轮叶片榫头裂纹故障分析[J].航空维修与工程，2020(01).

[2] 王立斐.发动机涡轮叶片榫齿磨削裂纹原因分析[J]. 特种铸造及有色金属，2021(07).

[3] 刘晓飞.合金涡轮叶片榫头缺陷成因分析[J]. 有色矿冶，2018(14).