某发动机压气机三级转子叶片断裂原因_田浩.pdf

：某发动机压气机三级转子叶片断裂原因田浩，李权，傅国如，陈荣，刘国良北京航空工程技术研究中心，北京 ；西安航空发动机（集团）有限公司，西安 摘要：某发动机压气机三级转子叶片发生断裂，采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜和能谱分析、金相检验、硬度测试等方法，并结合叶片振动模态分析，对其断裂原因进行分析。结果表明：叶片的断裂性质为疲劳断裂，疲劳起源于叶片叶盆面距离进气边约的腐蚀坑处；腐蚀坑降低了叶片的抗疲劳能力，是叶片发生疲劳断裂的主要原因；叶片在工作转速范围内存在 阶共振，引起叶片疲劳裂纹的萌生和扩展。关键词：叶片；疲劳断裂；腐蚀；振动模态中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：田浩（），男，博士，工程师，主要从事航空装备失效分析和材料研究工作，；（），：，：；航空发动机转子叶片是发动机结构件中的关键零部件之一，叶片为高速旋转的动部件，转子叶片不仅数量多、形体单薄，而且工作环境复杂，是发动机使用和试验中故障率最高的零部件之一。据统计，在航空发动机中，叶片故障可占到总故障的 以上，而且转子叶片的损伤对发动机的性能影响很大，有的甚至导致严重的事故。发动机转子叶片发生故障的原因较多，通常有共振疲劳、颤振疲劳、外物打伤、腐蚀、材料缺陷以及微动磨损等。某型发动机压气机三级转子叶片发生断裂，叶片材料为 铝合金，叶片表面进行了阳极化处理，用于预防腐蚀。为查明该叶片的断裂原因，笔者对其进行了一系列理化检验，以防止该类故障再次发生。理化检验宏观观察断裂压气机三级转子叶片的宏观形貌如图所示。完整的三级转子叶片进气边叶尖距离缘板长约 ，排气边叶尖距离缘板长约 。断裂位置在叶身上部。叶片断裂部位的排气边侧可见尺寸约为（长宽）的塑性变形，叶片其他部位未见异常机械损伤。对叶片断口进行宏观观察，结果如图所示，根据断口形貌可知：叶片断口大致分为两部分，靠近进田 浩，等：某发动机压气机三级转子叶片断裂原因图断裂压气机三级转子叶片宏观形貌气边侧的断面较平坦，可见明显放射棱线和疲劳弧线特征，该区域面积约占叶片横截面的，未见明显塑性变形特征，为疲劳区；靠近排气边侧为斜断口，还可见明显塑性变形，为瞬断区。根据放射棱线收敛方向可判断，疲劳起源于叶片叶盆侧靠近进气边处，距离进气边约，具有点源特征，源区颜色发黑，经清洗后可见凹坑，疲劳源区对应侧表面未见异常机械损伤（见图）。图叶片断口宏观形貌图断口疲劳源区及对应侧表面宏观形貌化学成分分析及力学性能测试从叶片断口附近取样，对叶片进行化学成分分析。叶片的化学成分分析结果如表所示。由表可知：叶片的化学成分符合 变形铝及 铝 合 金 化 学 成 分 对 铝 合 金 材 料 的要求。对叶片进行力学性能测试，得到叶片的显微硬度为 ，抗拉强度为 ，满足叶片强度设计要求（不小于 ）。表叶片的化学成分分析结果项目质量分数 实测值 余量 标准值 余量 扫描电镜、能谱分析及金相检验采用扫描电镜（）对断口进行观察，疲劳源区凹坑从叶盆侧表面向内延伸，凹坑表面呈腐蚀形貌（见图），能谱分析发现凹坑表面的、等环境腐蚀性元素含量较高，凹坑表面能谱分析结果如图所示。疲劳扩展区疲劳条带清晰（见图）。瞬断区为典型撕裂韧窝形貌（见图），进一步观察叶片叶盆面其他部位微观形貌，可见叶盆面其他部位局部也可见类似腐蚀坑（见图）。用光学显微镜对叶片进行金相检验，其显微组织形貌如图所示，由图可知：未见过热、过烧或第二相聚集分布现象。理论计算采用 软件对压气机三级转子叶片的叶片振型及应力分布进行仿真计算，三级转子理论模型叶片 阶模态最大振动应力部位与叶片断裂疲劳起源部位接近，即大致位于叶片叶盆面靠近进气边位置（见图），计算其共振转速有两个，分别为 和 。田 浩，等：某发动机压气机三级转子叶片断裂原因图断口疲劳源区 形貌图凹坑表面能谱分析结果图疲劳扩展区疲劳条带 形貌综合分析压气机三级转子叶片断口宏观可见明显的疲劳弧线及放射棱线等典型疲劳断裂特征，微观可见清晰疲劳条带特征，表明叶片的断裂性质为疲劳断裂。疲 劳 起 源 于 叶 片 叶 盆 面 距 离 进 气 边 约的腐蚀坑处。断裂叶片的化学成分、显微组织及力学性能均图断口瞬断区撕裂韧窝 形貌图叶盆面其他部位腐蚀坑 形貌田 浩，等：某发动机压气机三级转子叶片断裂原因图叶片的显微组织形貌图 三级转子叶片理论模型 阶振型和振动应力分布正常，叶盆面存在腐蚀坑，降低了叶片的抗疲劳能力 ，是叶片发生疲劳断裂的主要原因。叶片叶盆面其他部位局部也可见类似腐蚀坑，分析认为叶片可能存在腐蚀防护不良的问题。根据三级转子叶片的振型及应力计算结果可知，转子理论模型叶片 阶模态最大振动应力部位与叶片断裂疲劳起源部位接近，即大致位于叶片叶盆面靠 近 进 气 边 位 置，计 算 其 共 振 转 速 分 别 为 和 。三级转子叶片在工作转速范围内存在 阶共振，诱发了叶片疲劳裂纹的萌生和扩展。结语压气机三级转子叶片的断裂性质为疲劳断裂，疲劳起源于叶片叶盆面距离进气边约 的腐蚀坑处；叶片叶盆面存在腐蚀坑，降低了叶片的抗疲劳能力，是叶片发生疲劳断裂的主要原因；压气机三级转子叶片在工作范围内存在 阶共振，诱发了叶片疲劳裂纹的萌生和扩展。参考文献：刘庆瑔 航空发动机叶片制造技术及失效分析 北京：航空工业出版社，陶春虎航空发动机转动部件的失效与预防北京：国防工业出版社，傅国如，禹泽民，王洪伟航空涡喷发动机压气机转子叶片常见失效模式的特点与规律失效分析与预防，（）：孙智君，刘荣，刘国良压气机转子叶片掉块断裂分析理化检验（物理分册），（）：何玉怀，刘昌奎，张兵 钛合金转子叶片断裂分析中国有色金属学报，（增刊）：高志坤，胡霖，张开阔，等某高压压气机第级转子叶片断裂分析航空发动机，（）：李炯辉金属材料金相图谱北京：机械工业出版社，丁平，黄燕晓基于 的飞机发动机压气机叶片模态分析中国民航飞行学院学报，（）：曲文浩 航空发动机压气机叶片的静力学及模态分析 沈阳：东北大学，张栋失效分析北京：国防工业出版社，李钊发动机压气机叶片断裂故障分析失效分析与预防，（）：李其汉，王延荣，王建军 航空发动机叶片高循环疲劳失效研究 航空发动机，（）：，櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥（上接第页）潘秋红，张毅峰，王雷刚，等 冷轧生产工艺对 铝合金板塑性应变比与杯形件制耳率的影响 机械工程材料，（）：吴青松，祝洪川，王立新，等 塑性应变比各向异性度与制耳率之间关系探讨 物理测试，（）：