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航空發(fā)動機低壓壓氣機三級盤裂紋分析

2013-10-22 07:43:24劉軍和張銀東楊樹林
失效分析與預防 2013年2期
關鍵詞:輻板壓氣機鈦合金

劉軍和,張銀東,李 明,楊樹林

(1.駐沈陽黎明發(fā)動機制造公司軍事代表室,沈陽 110043;2.沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司,沈陽 110043)

0 引言

航空發(fā)動機是一種具有嚴酷氣動負荷、機械負荷和高溫負荷作用,又要求具有高耐久性的熱動力機械[1]。壓氣機盤類零件是航空發(fā)動機的關鍵部件,在高速旋轉狀態(tài)下工作,承受高離心負荷和振動負荷,還要承受環(huán)境介質(zhì)的腐蝕與氧化作用,工作條件比較惡劣,在工作中出現(xiàn)失效的概率較高[2]。疲勞斷裂是盤件失效的主要表現(xiàn)形式;而振動應力、離心應力等復雜應力狀態(tài)疊加導致應力過大以及應力集中往往是疲勞失效的內(nèi)在原因[3-5]。制定的預防措施則注重于減小應力集中,減小和控制使用過程中的振動。深入研究分析盤類零件的失效模式和機制,采取針對性措施,對于提高航空發(fā)動機的使用性能、可靠性和安全性有十分重要的意義。航空發(fā)動機低壓壓氣機三級盤采用BT9合金(國內(nèi)牌號TC11),屬于馬氏體型α+β鈦合金,可在500℃以下長時期工作和550℃短時工作[6]。BT9在俄制航空發(fā)動機上應用較為成熟,廣泛用于制造壓氣機的盤、葉片及軸類零件等,國內(nèi)對該合金也做了大量的研究工作[7-12],從變形機理、變形工藝、熱處理制度等方面入手,優(yōu)化合金及其盤鍛件的加工工藝,提高其力學性能尤其是抗疲勞性能。

某臺航空發(fā)動機在地面試車過程中出現(xiàn)報警信號,振動值突然增大,檢查發(fā)現(xiàn)低壓壓氣機三級盤有一條周向裂紋。本研究對故障件進行尺寸測量、材質(zhì)檢查、性能測試、組織分析和斷口觀察,綜合分析故障性質(zhì)和產(chǎn)生原因。

1 試驗過程和結果

1.1 形貌觀察

故障發(fā)動機三級盤宏觀形貌如圖1所示,從排氣側目視觀察,可見輻板上存在一條周向裂紋,裂紋弧長約470 mm(圖1紅線所示),距圓心約200 mm,中間部位已經(jīng)錯位、開口。裂紋位于盤的輻板與軸頸的轉接R處(圖2),該處存在較為明顯的加工痕跡。與三級盤相連的低壓壓氣機葉片存在不同程度的刮磨,三級靜子機匣也存在相應的刮磨痕跡,刮磨深度超過規(guī)定值要求。

圖1 故障盤形貌(排氣側)Fig.1 Appearance of failed disk(seen from the outlet side)

圖2 裂紋位置Fig.2 Diagram of position of crack on the disk

1.2 尺寸測量

采用三坐標測量機及打樣膏測量故障三級盤的主要尺寸,重點檢查輻板厚度、輻板與軸頸轉接R處尺寸及表面粗糙度。與輻板厚度的設計要求相比,實際零件厚度略大,且尺寸不均,從輪心到輪緣沿徑向方向輻板厚度減薄,呈一定錐度,在裂紋圓周附近出現(xiàn)臺階(圖2)。按圖紙要求,輻板與軸頸轉接R2.5,故障盤實際出現(xiàn)了2個R,分別為 R1.9、R2.25(圖 3)。R2.25 圓弧與后輪緣相切,R1.9圓弧與輻板相割,形成一周的棱線。轉接 R處粗糙度圖紙要求為1.25 μm,實測為0.58 ~1.39 μm。

圖3 轉接R部位超差示意圖Fig.3 The measurement of the transit radius between the former and the rim of the disk

1.3 斷口分析

人為打開斷口,在排氣側目視可見裂紋附近表面有明顯的加工痕跡,裂紋沿加工痕跡開裂。對斷口表面清洗后利用體視顯微鏡對斷口形貌進行觀察。裂紋斷口呈灰色,中間區(qū)域有長度約為105 mm、最大深度約為4.5 mm的弧形區(qū),該區(qū)域斷口相對平坦,為主斷口區(qū)(圖4);主斷口區(qū)兩側斷口粗糙,呈人字紋形貌。排氣側邊緣在圓周方向還存在寬窄不等的小裂紋區(qū)。

利用掃描電鏡對主斷口區(qū)進一步觀察,可見裂紋起始于排氣側邊緣,在源區(qū)附近可見疲勞弧線,見圖5。在裂紋擴展區(qū)疲勞條帶清晰細密,條帶間距小于0.5 μm,具備高周疲勞特征(圖6a);在疲勞擴展后期可見二次裂紋與韌窩的混合形貌(圖6b)。對主斷口區(qū)兩側的小裂紋觀察,仍可見細密的疲勞條帶(圖7),說明該處小裂紋也是疲勞裂紋。據(jù)此可以判斷,故障盤斷口為多源疲勞引起的裂紋。源區(qū)未見明顯的冶金缺陷。

圖4 斷口全貌Fig.4 Morphology of the crack

圖5 疲勞源區(qū)形貌Fig.5 Fracture initiation area of the crack

圖6 疲勞擴展區(qū)形貌Fig.6 Fracture propagation area of the crack

1.4 材質(zhì)檢查和性能測試

在盤輻板取樣,進行化學成分和金相組織分析;在輪轂處弦向取樣,測試室溫拉伸、室溫沖擊、500℃拉伸和500℃/620 MPa持久性能。

分析化學成分為:ω(C)=0.015%,ω(H)=0.00263%,ω(O)=0.109%,ω(N)=0.0120%,ω(Si)=0.28%,ω(Mo)=3.43%,ω(Al)=6.41%,ω(Fe)=0.11%,ω(Zr)=1.68%。符合BT9材料標準要求。金相組織為等軸或拉長α+β轉組織,α相含量約為60% ~70%(圖8),符合標準要求。

圖7 小裂紋區(qū)的疲勞形貌Fig.7 Fatigue morphology of the minor crack

圖8 輻板處的金相組織Fig.8 Microstructure of the failed disk

力學性能測試結果見表1和表2。各項性能均符合標準要求,但從數(shù)據(jù)上看,室溫拉伸強度、500℃拉伸強度和500℃/620 MPa持久性能富裕度都不高。

表1 故障盤的室溫力學性能Table 1 Mechanical properties of the failed disk at room temperature

表2 故障盤的500℃力學性能Table 2 Mechanical properties of the failed disk at 500℃

2 分析與討論

從材質(zhì)檢測結果看,其化學成分、力學性能、金相組織均符合俄99.91Ty標準要求,也符合航標HB 5263—1995。疲勞源區(qū)未見明顯的冶金缺陷,說明裂紋的產(chǎn)生與材質(zhì)無關。鈦合金的性能與組織狀態(tài)密切相關,不同的組織對應的性能存在著很大的差異。一般說來,鈦合金呈現(xiàn)等軸組織時室溫塑性好、沖擊性能較高;而呈現(xiàn)雙態(tài)組織時高溫瞬時性能、斷裂韌性和疲勞性能相對較好。該故障盤組織為等軸或拉長α+β轉組織,α相含量約為60% ~70%,所以強度富裕度不高;而近年來該發(fā)動機的三級盤組織更接近于雙態(tài)的等軸α+β轉組織,α相含量約為40% ~50%。

針對輻板厚度(相對原結構減小到4.85 mm)、輻板與后輪緣轉接半徑(由R2.5 mm減小到R1.9 mm)、局部缺陷(圓角與輻板連接處增加圓弧缺陷0.05~0.08 mm)3個尺寸超差因素,考慮轉速、溫度載荷、離心載荷等因素,運用ANSYS軟件,分別進行了故障部位應力計算,計算結果見表3。

由表3可知,單一結構超差因素中,應力值增大對凹陷0.08 mm最為敏感,其徑向應力增加了23.59%;其次為輻板厚度減薄和圓角尺寸變小。輻板厚度減小到4.85 mm時,徑向應力增加了17.97%,圓角尺寸變小到R1.9時徑向應力增加了10.89%,凹陷為0.05 mm時,應力水平與輻板厚度減小到4.85 mm時相當。可見3種超差情況下故障部位的應力值均低于材料的屈服極限值,從靜強度儲備看,單一因素的局部尺寸超差不足以造成盤件斷裂破壞。斷口上表現(xiàn)出比較明顯的高周疲勞特征;而且出現(xiàn)突然振動后,還能工作一段時間,也說明盤件的靜強度能夠滿足承力要求。雖然如此,考慮轉速、溫度載荷、葉片及輪緣凸塊引起的離心載荷,在設計點轉速下故障部位的應力計算達到了733 MPa,存在明顯的應力集中。

表3 超差因素對故障部位應力的影響Table 3 Effect of out-of-tolerance on the stress at the failed position

由于結構布局的需要,航空發(fā)動機零部件上過渡轉角、溝槽、截面過渡區(qū)不可避免;而這些部位容易引起應力集中,在振動應力作用下,誘發(fā)疲勞裂紋萌生并擴展。鈦合金零件疲勞抗力對表面加工狀態(tài)非常敏感[13],零件表面加工質(zhì)量不好時在過渡轉角等部位尤其容易引起應力集中[14-16],導致零件疲勞抗力的下降。故障三級盤在排氣側輻板與軸頸轉接R處可見加工接刀痕,存在應力集中,當受到較大氣流、振動作用或盤表面材質(zhì)性能降低時,該處應力集中系數(shù)相應增大,會形成疲勞源。主疲勞源擴展后,應力得到釋放,其余小裂紋源沒有充分擴展。從裂紋擴展微觀特征看,疲勞條帶細密,具備高周疲勞特征,說明裂紋擴展應力不大;但疲勞多源起始,說明裂紋起始應力較大,一般與源區(qū)受到較大外力或性能降低有關。從圖1上可以看出三級盤上連接孔較多,由于這些孔及與其相關的葉片和鍵的存在,在盤腔內(nèi)形成壓力脈動,一旦輪盤發(fā)生共振,將產(chǎn)生較大的應力響應。當盤腔激振力的階次和輪盤節(jié)徑數(shù)互為倍數(shù)關系時,容易發(fā)生后行波共振。有關計算表明,在常用工作轉速條件下,存在共振裕度小于10%的共振點,有發(fā)生共振的可能性。綜合分析,故障盤疲勞裂紋的產(chǎn)生與使用過程中特定條件下的振動有關。

3 結論

1)斷口為多源疲勞裂紋,裂紋起始于三級盤排氣側輻板與軸頸轉接R表面;

2)故障盤疲勞裂紋的產(chǎn)生與使用過程中特定條件下的振動有關;

3)三級盤輻板與軸頸轉接處R尺寸偏小,轉接不圓滑,存在應力集中,促進裂紋的產(chǎn)生。

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