■ 陳光/北京航空航天大學(xué)

渦輪盤中隱藏多年的一個(gè)暇疵導(dǎo)致一架客機(jī)的燒毀！可見在發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中，對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的零件，特別是處于高溫下的渦輪盤，要從材料的源頭抓起，不僅要精心設(shè)計(jì)、嚴(yán)格試驗(yàn)，還要在冷熱加工過程中一絲不茍，使產(chǎn)品能承受長時(shí)間運(yùn)行的考驗(yàn)。

美國航空公司（AA）的1架裝有2臺(tái)CF6-80C2B6發(fā)動(dòng)機(jī)的767-300ER客機(jī)，于2016年10月28日?qǐng)?zhí)行由芝加哥飛往邁阿密的AA383航班任務(wù)，機(jī)上載有乘客161人，機(jī)組人員9人。當(dāng)飛機(jī)在跑道上加速滑行2000m己達(dá)到起飛速度時(shí)，只聽見“嘭”的一聲巨響，右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)推力急劇下降，飛行員根據(jù)當(dāng)時(shí)的情況立即終止了起飛，飛機(jī)在滑行了820m后停在了跑道上，乘務(wù)員當(dāng)即打開了飛機(jī)上的應(yīng)急滑梯（機(jī)身左側(cè)2個(gè)，機(jī)身右側(cè)前部1個(gè)）組織乘客緊急疏散，機(jī)上170人均安全逃離飛機(jī)。由于左側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)并未停車，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣尾流導(dǎo)致從滑梯逃離的1名乘客重傷，21人輕傷。事故原因是通向發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油總管，以及機(jī)翼內(nèi)的燃油箱被甩出的發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪第二級(jí)輪盤的斷塊打斷與打穿，大量燃油泄漏引發(fā)大火，將飛機(jī)右側(cè)機(jī)翼及機(jī)體燒毀，如圖1、圖2所示。

事故原因

打斷燃油總管的渦輪輪盤斷塊來自于右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪第二級(jí)輪盤發(fā)生的非包容破裂。當(dāng)飛機(jī)在跑道上加速到140km/h即將離地、發(fā)動(dòng)機(jī)處于起飛推力狀態(tài)時(shí)，第二級(jí)高壓渦輪輪盤突然爆裂成兩大塊，其中質(zhì)量為25.7kg的A塊被甩出發(fā)動(dòng)機(jī)后，先打斷了向燃燒室供燃油的總管，繼而又將飛機(jī)右機(jī)翼油箱底打穿，在將右機(jī)翼打出兩個(gè)洞后飛出895m打穿了聯(lián)合包裹服務(wù)（UPS）公司的倉庫屋頂，最后落在倉庫內(nèi)的地板上。輪盤的另一大半塊甩出發(fā)動(dòng)機(jī)后，砸向跑道摔成三塊（B、C、D）飛出近420m分別墜落到另一跑道邊的草地上，其中B、C、D塊的質(zhì)量分別為37.8kg、3kg和0.9kg。高壓渦輪第二級(jí)輪盤最終破裂成4塊，如圖3所示。

圖1 由飛機(jī)流出的燃油引發(fā)飛機(jī)發(fā)生大火

圖2 飛機(jī)右側(cè)機(jī)翼與機(jī)身嚴(yán)重?zé)龤?/p>

圖3 高壓渦輪第二級(jí)輪盤破裂成4塊

圖4 CF6-80C2高壓渦輪轉(zhuǎn)子組件

出事的CF6-80C2B6發(fā)動(dòng)機(jī)由1級(jí)風(fēng)扇、4級(jí)增壓壓氣機(jī)、14級(jí)高壓壓氣機(jī)、2級(jí)高壓渦輪（見圖4）與5級(jí)低壓渦輪組成，發(fā)動(dòng)機(jī)已工作了68785h/10984循環(huán)。

通過對(duì)輪盤殘骸的斷面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在輪盤前緣的盤心處有明顯的黑灰色區(qū)域（見圖5），輪盤是由此處開始斷裂的。對(duì)斷裂區(qū)進(jìn)行電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)在輪盤表面下細(xì)晶包圍出一個(gè)3.81mm×2.54mm的白色區(qū)域，如圖6所示，此區(qū)域中有多個(gè)條紋與裂紋，被稱為“不連續(xù)的白斑點(diǎn)區(qū)”。通過進(jìn)一步的觀察與分析，不連續(xù)的白斑點(diǎn)區(qū)是由于材料中存在微米級(jí)的氧化物造成的。由于輪盤表面下（即輪盤內(nèi)部）存在著由雜質(zhì)產(chǎn)生的微裂紋與條紋，在長期處于低循環(huán)條件下工作，裂紋逐漸增長直至輪盤爆裂。出現(xiàn)故障的輪盤是在工作10984循環(huán)后爆裂的，其設(shè)計(jì)壽命為15000循環(huán)。

經(jīng)過美國國家運(yùn)輸安全委員會(huì)（NTSB）與GE航空集團(tuán)的分析與研究，確認(rèn)輪盤材料中存在的微米級(jí)氧化物是在輪盤材料熔煉過程中未能清除而殘留在材料中的，且在生產(chǎn)當(dāng)年以及投入使用后，也無法探測(cè)到。

圖5 輪盤斷面

圖6 電子顯微鏡下的斷裂區(qū)

CF6-80C2B6的高壓渦輪第二級(jí)輪盤所用材料為In718鎳基合金，出故障的輪盤是1997年生產(chǎn)的。首先是由美國的ATI 特殊材料公司根據(jù)GE的技術(shù)文件要求，采用三重熔煉法（真空感應(yīng)熔煉、電渣重熔與真空電弧重熔）獲得In718的鑄錠。采用三重熔煉是為了消除材料中的雜質(zhì)，保證材料的各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。澆鑄的鑄錠直徑為254mm，交給威曼高登公司作進(jìn)一步的熱加工，首先將鑄錠的頂端與底部切割掉，然后再切成9個(gè)坯料，每個(gè)壞料經(jīng)過3個(gè)方向的多次錘鍛以及相應(yīng)的熱處理后，形成可供機(jī)械加工的鍛坯，1997年8月8日威曼高登公司將符合規(guī)范要求的鍛坯交給德國的MTU公司。MTU公司對(duì)此鍛坯加工出最終的輪盤。在各制造工序中，均按GE的要求，采用超聲波探測(cè)儀對(duì)原材料與加工好的輪盤進(jìn)行過多次探傷，但均未發(fā)現(xiàn)引起這次故障的微隙。當(dāng)年ATI特殊材料公司用于探傷的超聲波探測(cè)技術(shù)與2017年年底該公司用的技術(shù)是一樣的，所用的探傷設(shè)備也是按同一設(shè)計(jì)制成的。

1998年2月，MTU公司對(duì)發(fā)生故障的輪盤完成了最終檢查后，簽發(fā)了合格證，發(fā)送到GE航空集團(tuán)，同年3月此輪盤裝到CF6-80C2B6發(fā)動(dòng)機(jī)上，發(fā)動(dòng)機(jī)序號(hào)為ESN 690-373。1998年4月30日，波音公司向美國航空公司交付了裝有ESN690-373此次發(fā)生故障發(fā)動(dòng)機(jī)的767客機(jī)。

在ESN 690-373發(fā)動(dòng)機(jī)服役的18年中，高壓渦輪第二級(jí)輪盤曾按美國聯(lián)邦航空局（FAA）適航指令進(jìn)行過2次強(qiáng)制性的檢測(cè)，即2011年1月15日與2017年3月25日，檢測(cè)的手段均符合FAA的有關(guān)指令，結(jié)果表明輪盤質(zhì)量無問題，也未發(fā)現(xiàn)隱藏在輪盤內(nèi)的微隙。

由于在熔煉過程中，鎳基合金微米級(jí)的氧化物未被清除干凈，所形成的瑕疵隱藏在輪盤內(nèi)部無法探測(cè)出來，經(jīng)過一萬多次低循環(huán)加載與卸載，裂隙逐步擴(kuò)大發(fā)展，最終導(dǎo)致高壓渦輪第二級(jí)輪盤爆裂。

經(jīng)核實(shí)，與故障件同期（1997年）生產(chǎn)的高壓渦輪第二級(jí)輪盤共有36件，其中8件仍在使用，GE航空集團(tuán)對(duì)此進(jìn)行了高分辨率的超聲探測(cè)檢查，未發(fā)現(xiàn)存在問題。

圖7 高壓渦輪第一級(jí)輪盤爆裂引發(fā)著火

發(fā)生在高壓渦輪第一級(jí)輪盤上的類似故障

CF6-80C2發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪第一級(jí)輪盤曾出現(xiàn)過數(shù)次非包容爆裂故障。例如，2000年9月22日美國航空公司的767-2B7(ER)進(jìn)行地面維修性試車時(shí)，1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)第一級(jí)高壓渦輪輪盤爆裂，甩出的斷片造成飛機(jī)左翼下部著火，使飛機(jī)及1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)受到損壞；2002年12月28日新西蘭航空公司的767-219(ER)，爬升到3400m時(shí)高壓渦輪第一級(jí)輪盤爆裂，斷塊打穿發(fā)動(dòng)機(jī)及短艙，打壞飛機(jī)左翼前緣；2006年6月2日美國航空公司的767-223（ER）進(jìn)行地面調(diào)整試車時(shí)，高壓渦輪第一級(jí)輪盤爆裂，斷塊打壞飛機(jī)多處并引發(fā)著火（見圖7）；另外還有5起類似故障。但是，第二級(jí)輪盤出現(xiàn)破裂故障還是第一次。

2008年1月31日，NTSB將CF6-80C2高壓渦輪第一級(jí)輪盤出現(xiàn)多次非包容爆裂的可能原因歸納為：高壓渦輪第一級(jí)輪盤為疲勞斷裂，是由于一條晶間裂紋造成的破裂，原因是高壓渦輪輪盤設(shè)計(jì)不完善，造成在榫槽底部后圓角處有一個(gè)高應(yīng)力區(qū)，此處的應(yīng)力接近或等于材料的許用應(yīng)力，因此只要有一點(diǎn)小瑕疵就可能造成起裂，裂紋發(fā)展后造成輪盤破裂。為此，GE航空集團(tuán)對(duì)輪盤榫槽底部后圓角處進(jìn)行了設(shè)計(jì)修改，并要求在加工、裝配與使用中，避免在該圓角處出現(xiàn)人為的傷痕，此后再未出現(xiàn)類似的故障。

結(jié)束語

從高壓渦輪輪盤中隱藏多年的瑕疵引發(fā)價(jià)值2億美元的767客機(jī)燒毀，以及設(shè)計(jì)缺陷造成多起高壓渦輪第一級(jí)輪盤非包容爆裂等嚴(yán)酷事例說明，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的零件，特別是處于高溫下的渦輪盤，要特別認(rèn)真對(duì)待，要從材料的源頭抓起，不僅要精心設(shè)計(jì)、嚴(yán)格試驗(yàn)，還要在冷熱加工過程中一絲不茍，使產(chǎn)品能承受長時(shí)間運(yùn)行的考驗(yàn)。