分享：航空发动机带凸肩风扇转子叶片裂纹产生原因
刘 欢1,佟文伟1,张 爽2,张开阔1,李艳明1
(1.中国航发沈阳发动机研究所,沈阳 110015;2.中国航发西安航空发动机有限公司,西安 710021)
摘 要:某航空发动机 TC4合金风扇转子叶片凸肩根部转接部位过早产生裂纹,通过宏观形貌 观察、断口分析以及接触放电试验,分析了裂纹产生原因。结果表明:失效风扇转子叶片裂纹为疲 劳裂纹,裂纹萌生于叶片叶盆侧凸肩根部至排气边的转接区域表面;在叶片凸肩耐磨层钎焊过程 中,感应线圈靠近或接触叶片基体而发生接触放电,导致叶片基体局部熔化烧伤和阻流剂熔化,是 叶片萌生疲劳裂纹的原因。建议采用绝缘胶布对感应线圈进行绝缘处理,选取合适的感应电流和 焊接距离,以防止线圈与叶片之间发生接触放电。
关键词:风扇转子叶片;叶片凸肩;疲劳裂纹;铬元素;接触放电 中图分类号:V232.4 文献标志码:B 文章编号:1000-3738(2021)04-0099-04
0 引 言
风扇转子叶片是航空发动机中的重要旋转件, 航空发动机工作过程中,风扇转子叶片在较高的离 心负荷、气动负荷、振动交变负荷以及发动机进气道 外来物冲击的作用下,会发生共振或颤震,从而影响 压气机的气动性能和可靠性。为了减少共振或颤震 对转子叶片强度和振动、气动性能的影响,在叶片中 上部通常设计阻尼凸肩[1]。整级转子叶片装配后凸 肩形成整环结构,叶片之间通过凸肩彼此制约,增强 了转子叶片的刚性[2-4]。凸肩工作面通常会喷涂或 钎焊耐磨合金层,当叶片发生振动时工作面相互摩 擦,耐磨合金层能起到阻尼减振作用。 陆基航空发动机风扇转子叶片试车后的常见 失效模式主要有叶尖磨损[5],凸肩工作面、榫头工 作 面 磨 损[6],凸 肩 耐 磨 层 掉 渣、开 裂[7],叶 尖 掉 角[8],外物打伤[9],共振[10],组织异常[11]等。某陆 基航空发动 机 风 扇 转 子 叶 片 采 用 凸 肩 结 构,材 料 为 TC4钛合金模锻件,凸肩工作面钎焊耐磨涂层。 在发动机工 作 过 程 中,凸 肩 根 部 至 排 气 边 的 转 接 区域产生 裂 纹。为 了 找 到 裂 纹 产 生 原 因,作 者 对 故障风扇转子叶片进行了失效分析并提出了改进 措施。 99 刘 欢,等:航空发动机带凸肩风扇转子叶片裂纹产生原因
1 理化检验及结果
1.1 宏观形貌
由图1可以看出,裂纹位于风扇转子叶片凸肩 根部至排气边的转接区域,贯穿叶身厚度,宏观上叶 片没有出现变形和变色现象。 图1 失效叶片表面宏观形貌 Fig.1 Surfacemacromorphologyoffailedblade
1.2 断口形貌
将失效叶片沿裂纹机械掰开,观察断口形貌。 由图2可以看出,失效叶片断口表面较为平坦,呈深 灰色,可见明显的疲劳弧线,表明裂纹为疲劳裂纹。 根据疲劳弧线的方向判断疲劳裂纹萌生于叶片叶盆 图2 失效叶片断口宏观形貌 Fig.2 Fracturemacromorphologyoffailedblade 侧凸肩根部和进气边的转接部位表面。 采用 ZEISSSigma500 型 扫 描 电 镜 观 察 断 口 微观形貌。由 图 3 可 以 看 出:从 叶 片 凸 肩 表 面 起 始的近似扇形区 域(区 域 Ⅰ)未 见 放 射 棱 线 特 征, 组织疏松;从 区 域 Ⅰ 的 扇 形 边 界 向 断 口 内 部 延 长 约215μm(外侧边界距凸肩表面约335μm)的带 状区域(区域Ⅱ)呈 平 坦 的 放 射 棱 线 特 征,组 织 疏 松;与区域 Ⅱ 相 比,区 域 Ⅱ 外 侧 边 界 以 外 区 域(区 域Ⅲ)的 放 射 棱 线 较 粗 糙,断 口 形 貌 呈 准 解 理 特 征,同时还可见细密的疲劳条带,表明失效风扇转 子叶片裂纹为疲劳裂纹。 图3 失效叶片断口SEM 形貌 Fig 3 SEM morphologyoffractureoffailedblade a lowmagnification b amplificationofregionⅠ c amplificationofregionⅡ and d amplificationofregionⅢ 采 用 ZEISSSigma500 型 扫 描 电 镜 附 带 的 OxfordX-Max50型能谱仪(EDS)对图3中的3个 区域进行成分分析。由图4可以看出,区域Ⅱ和区 域Ⅲ为叶片基体 TC4合金成分,区域Ⅰ除基体合金 元素外,还存在铬元素偏聚。
2 裂纹产生原因
由理化检验结果可知,失效风扇转子叶片断口 100 刘 欢,等:航空发动机带凸肩风扇转子叶片裂纹产生原因 图4 失效叶片断口的 EDS面扫描结果 Fig 4 EDSsurfacemappingresultsoffailedbladefracture 图5 接触放电试验叶片烧伤处的表面SEM 形貌和截面显微组织 Fig 5 SurfaceSEM morphologyandsectionmicrostructureofburnedregionofbladeinthecontactdischargetest a surfaceSEM morphologyatlowmagnification b surfaceSEM morphologyathighmagnificationand c sectionmicrostructure 区域Ⅰ和区域Ⅱ组织疏松。风扇转子叶片经锻造成 型,叶片内部不会存在疏松组织,因此失效叶片断口 的疏松组织不是在叶片锻造过程中产生的,而是在 铸造或焊接等熔化和凝固过程中产生的。失效叶片 断口区域Ⅰ存在外来元素铬,复查叶片生产加工工 艺,发现在焊接叶片凸肩耐磨层时使用的阻流剂为 Cr2O3,为铬元素的来源,此外无其他引入铬元素的 工艺。 阻流剂是在钎焊过程中用来保护被焊金属非 焊接表面的 一 种 辅 助 材 料,能 够 在 钎 焊 温 度 下 有 效阻止熔融 钎 料 向 非 焊 接 表 面 随 意 流 淌,且 能 在 钎焊后去除[12]。在焊接凸肩耐磨层时,将耐磨颗 粒与钎料的混合物用黏结剂调和成膏状涂敷在叶 片的凸肩工 作 面 上,再 在 凸 肩 及 附 近 非 钎 焊 区 域 涂敷 Cr2O3 阻流剂,在真空氩气保护环境下,采用 高频感应方式焊接。 在凸肩耐磨层的钎焊过程中,复查工艺操作,发 现感应线圈与叶片接触。当感应线圈距离叶片较近 或接触时,感应线圈会产生接触放电现象,导致叶片 基体局部区域温度快速升高,甚至使叶片基体熔化 烧伤,烧伤区域凝固后会形成疏松的铸造组织。此 外,接触放电导致叶片局部温度升高至高于阻流剂 Cr2O3 的熔点时,阻流剂会发生熔化流淌,阻流剂中 的铬元素会进入风扇转子叶片基体中。 为了进一步验证感应线圈接触放电的叶片烧伤 现象,设计试验:在焊接部位周围涂上 Cr2O3 阻流 剂,感应线圈一端与叶片凸肩接触,通电后另一端逐 渐靠近叶片。当感应线圈距离叶片较近或接触时, 感应线圈和叶片之间产生了放电现象,放电部位发 生熔化和烧伤,如图5(a)、(b)所示。在烧伤部位截 101 刘 欢,等:航空发动机带凸肩风扇转子叶片裂纹产生原因 取金相试样,磨抛后采用盐酸+氢氟酸+水(体积比 为2∶2∶96)的腐蚀液进行腐蚀,在 ZEISSAxiovert A1型倒置光学显微镜下观察截面显微组织,由图5 (c)可以看出,烧伤部位组织为明显的铸造组织。采 用 OxfordX-Max50 型 能 谱 仪 对 该 部 位 进 行 面 扫 描,发现该部位存在铬元素偏聚,与实际失效叶片裂 纹源存在铬元素偏聚的结果一致。 综上,叶片叶盆侧凸肩耐磨层钎焊过程操作不 当,使钎焊加热感应线圈与叶片基体之间发生接触 放电而产生大量的热,造成凸肩进气边转接部位发 生烧伤,形成疏松的铸造组织,同时接触放电导致部 分阻流剂熔化,熔化的阻流剂扩散进入叶片基体,使 叶片基体中出现铬元素,降低了叶片的疲劳性能。 因此在发动机工作过程中,在气动、振动和离心载荷 叠加的交变应力作用下,烧伤部位容易萌生疲劳裂 纹,最终导致开裂。
3 结论及措施
(1)失效风扇转子叶片裂纹为高周疲劳裂纹, 裂纹萌生于叶片叶盆侧凸肩根部和排气边的转接 部位表面;在凸肩耐磨层钎焊过程中,感应线圈与 叶片基体之 间 发 生 接 触 放 电,导 致 叶 片 基 体 局 部 烧伤和阻流 剂 熔 化,是 叶 片 过 早 萌 生 疲 劳 裂 纹 的 原因。 (2)建议采用绝缘胶布对感应线圈进行绝缘处 理,选取合适的感应电流和焊接距离,以防止线圈和 叶片之间发生接触放电。
来源：材料与测试网
