聞騰炬 王宏衛(wèi) 梁鵬

摘要：某型發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)，熒光檢查發(fā)現(xiàn)渦輪I級轉(zhuǎn)子葉片第一道榫齒（近葉身）有裂紋，為該系列發(fā)動(dòng)機(jī)修理中首次發(fā)現(xiàn)。通過系統(tǒng)的故障分析，確定了故障原因，杜絕了風(fēng)險(xiǎn)隱患。

關(guān)鍵詞：渦輪葉片；裂紋；疲勞

Keywords：turbine blade；crack；fatigue

1 故障描述

某型發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)，熒光檢查發(fā)現(xiàn)渦輪I級轉(zhuǎn)子38號(hào)葉片第一道榫齒（近葉身）有裂紋顯示，從熒光顯示走向來看，裂紋沿榫齒根部延伸至榫頭端面（見圖1）。

為進(jìn)一步確定故障性質(zhì)，將葉片榫頭端面拋光后在顯微鏡下觀察，確定熒光顯示區(qū)域?yàn)榱鸭y（見圖2）。此故障為該型發(fā)動(dòng)機(jī)修理中的首次發(fā)現(xiàn)。

2 問題定位

根據(jù)故障現(xiàn)象，分析可能導(dǎo)致渦輪葉片榫頭裂紋的原因，列出故障樹（見圖3），對故障樹每個(gè)底事件進(jìn)行分析、排查，找出渦輪I級轉(zhuǎn)子葉片榫頭裂紋的原因。

3 排查情況

3.1 葉片與減振墊磨損情況對比分析

I級葉片裝配時(shí)在下緣板之間需安裝減振墊，以達(dá)到約束葉片振動(dòng)的作用（見圖4）。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，葉片受氣流激振，下緣板會(huì)與減振墊產(chǎn)生磨損。對比故障葉片及該級其余葉片下緣板與減振墊接觸部位的磨損痕跡發(fā)現(xiàn)，各葉片在相同部位均有磨損痕跡，38號(hào)葉片的磨損痕跡較為明顯，不過該級葉片中的36號(hào)葉片的磨損痕跡與之相近（見圖5）。由此可以確定，38號(hào)葉片下緣板與減振墊接觸部位是正常磨損痕跡。

3.2 葉片與盤配合部位的微動(dòng)磨損分析

對比故障葉片與該臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)其余I級葉片榫頭工作面的磨損情況，故障葉片榫頭磨損宏觀形貌與其余葉片相似，為工作面在應(yīng)力作用下的正常微動(dòng)磨損。裂紋起源于榫齒根部，該部位在工作時(shí)與榫槽不接觸，實(shí)際檢查該處時(shí)也無接觸磨損痕跡。

3.3 渦輪盤外觀及探傷檢查

目視檢查渦輪盤榫槽表面狀態(tài)，與其余榫槽相比，38號(hào)榫槽的工作面有正常磨損痕跡，無明顯差異。各榫槽未見榫齒變形、崩齒、剝落故障。對渦輪盤進(jìn)行熒光探傷也無裂紋。

3.4 葉片與盤的配合檢查

該型發(fā)動(dòng)機(jī)修理時(shí)未要求對渦輪盤榫槽、渦輪葉片榫頭進(jìn)行單獨(dú)尺寸測量，僅規(guī)定在配套的葉片按靜力矩排序后，將每個(gè)葉片依次安裝于相應(yīng)的榫槽中，在規(guī)定的葉尖處檢查葉片在榫槽軸線垂直方向的切線活動(dòng)量，應(yīng)在0.6～1.1mm范圍內(nèi)。葉片切線活動(dòng)量可以反映出渦輪葉片榫頭與渦輪盤榫槽的配合狀態(tài)。

為驗(yàn)證故障葉片榫頭與渦輪盤榫槽的配合情況，將故障葉片安裝于對應(yīng)的榫槽，在葉尖處測量其切線活動(dòng)量為0.4mm。隨機(jī)選取其余9個(gè)榫槽，測量故障葉片在9個(gè)榫槽安裝時(shí)的切線活動(dòng)量分別為0.50mm、0.45mm、0.45mm、0.55mm、0.45mm、0.5mm、0.50mm、0.45mm、0.50mm，均不合格，其中該葉片安裝于38號(hào)榫槽時(shí)的切線活動(dòng)量最小。

為進(jìn)一步對比分析渦輪盤38號(hào)榫槽是否有異常，選取新品葉片、故障發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、壽命相近葉片、大壽命葉片各20片，分別安裝于38號(hào)榫槽中，測量得到的切線活動(dòng)量在0.3～0.55mm范圍內(nèi)，均不合格；將所選葉片隨機(jī)安裝于其他榫槽，再次測量切線活動(dòng)量，在0.6～0.9mm范圍內(nèi)，均合格。四種不同狀態(tài)葉片活動(dòng)量測量結(jié)果對比如圖6～圖9所示。

通過對比分析可知，故障渦輪葉片安裝于對應(yīng)渦輪盤的10個(gè)榫槽（含38號(hào)）中，測量得到的切線活動(dòng)量均小于下限值，說明葉片榫頭可能存在問題。在渦輪盤38號(hào)榫槽安裝各狀態(tài)葉片80片，測量切線活動(dòng)量均小于下限值，在同一渦輪盤隨機(jī)選取其他榫槽安裝80片樣品，測量切線活動(dòng)量均合格，說明渦輪盤38號(hào)榫槽型面尺寸存在問題。

3.5 葉片跨棒距檢查

查閱高壓渦輪I級葉片設(shè)計(jì)圖樣，確定了葉片榫頭跨棒距尺寸，該渦輪葉片依據(jù)不同的跨棒距尺寸分為三個(gè)組別?？绨艟鄿y量示意圖見圖10。

選取相應(yīng)滾棒，測量故障葉片的跨棒距。為對比檢查葉片跨棒距，從測量葉片切線活動(dòng)量的樣品中選取故障發(fā)動(dòng)機(jī)葉片10片，測得的跨棒距結(jié)果見表1。故障葉片與該發(fā)動(dòng)機(jī)其余葉片相比，3號(hào)、4號(hào)跨棒距明顯偏大，2號(hào)、5號(hào)跨棒距接近。根據(jù)跨棒距測量原理，當(dāng)測量用滾棒一定，葉片榫頭磨損后，其跨棒距尺寸減小。測量對比結(jié)果表明故障葉片在3號(hào)、4號(hào)對應(yīng)的榫齒磨損較小，反映出該葉片在工作狀態(tài)榫齒受力與同級其余葉片有差異，各個(gè)榫齒受力不均，葉片榫頭與盤榫槽可能存在異常接觸。

3.6 榫頭、榫槽底部倒角檢查

渦輪I級轉(zhuǎn)子葉片榫頭共五道齒，遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子軸心的最外側(cè)齒為第一道齒，裂紋出現(xiàn)在第一道齒。一道榫齒根部R圖樣尺寸為R0.5～R0.6。

測量故障葉片榫齒根部R，并從檢查切線活動(dòng)量的樣品中抽取故障發(fā)動(dòng)機(jī)葉片3片、壽命相近葉片3片、新品葉片3片，在第一道榫齒四個(gè)區(qū)域分別取樣膏檢查榫齒根部R尺寸。

選1號(hào)、38號(hào)、50號(hào)榫槽，測量與葉片裂紋出現(xiàn)榫齒配合的渦輪盤第一道榫齒根部R尺寸，結(jié)果見表2。

從檢測結(jié)果來看，38號(hào)故障葉片一道榫齒根部R符合圖樣要求，對應(yīng)的渦輪盤38號(hào)榫槽一道齒根部R也符合圖紙要求，但是38號(hào)榫槽在葉背面的兩個(gè)R實(shí)測值為0.45mm，略微小于葉盆面的兩個(gè)R實(shí)測值0.50mm（見圖11）。

渦輪盤榫槽加工需經(jīng)過多次拉削，榫槽根部R為一次拉削后成型，正常情況下同一個(gè)渦輪盤榫槽根部R的拉削應(yīng)是同一把拉刀在相同定位條件下拉削成型，不應(yīng)出現(xiàn)根部R不均情況，故障發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤可能在拉削過程中存在問題。

3.7 發(fā)動(dòng)機(jī)工況分析

統(tǒng)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)履歷本記載的該發(fā)動(dòng)機(jī)外場服役過程58次試車的主要參數(shù)，分析各狀態(tài)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、排氣溫度、振動(dòng)值參數(shù)變化情況，均未見異常。發(fā)動(dòng)機(jī)在外場使用各個(gè)階段均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，不存在超溫、超轉(zhuǎn)、異常振動(dòng)情況。

4 失效分析

4.1 斷口宏觀檢查

沿故障葉片第一道榫齒根部裂紋附近剖開斷面，宏觀觀察斷面，斷口呈現(xiàn)線源開裂，裂紋沿榫齒根部向下擴(kuò)展，表面氧化嚴(yán)重，源區(qū)未見機(jī)械損傷、異常磨損和腐蝕痕跡。

4.2 電鏡檢查

將打開的榫頭斷面清洗后在電鏡下觀察，斷口呈線源開裂，放射棱線起始于榫齒根部，沿榫齒根部向下擴(kuò)展，斷面可見清晰的疲勞弧線（見圖12）。放大觀察，可見源區(qū)斷面棱線明顯（見圖13），表面氧化嚴(yán)重，源區(qū)未見機(jī)械損傷、異常磨損和腐蝕痕跡。擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶細(xì)密（見圖14）。

4.3 材料組織分析

在斷口附近磨制金相試樣觀察，可見γ呈方形，未見γ聚集長大特征，無過熱過燒現(xiàn)象，為K465正常組織，表面無滲鋁硅銥污染。

4.4 綜合分析

金相分析表明，葉片組織正常，無過熱過燒，無滲鋁硅銥污染。從斷口分析可知，榫頭裂紋源區(qū)為線源開裂，無機(jī)械損傷、異常磨損和腐蝕特征。線源開裂說明葉片開裂起始應(yīng)力較大，由于葉片榫頭與盤榫齒屬間隙配合，可在一定范圍內(nèi)活動(dòng)，可見起始大應(yīng)力非裝配應(yīng)力，應(yīng)為非正常的工作應(yīng)力，工作大應(yīng)力的產(chǎn)生可能為盤與葉片配合不良或發(fā)動(dòng)機(jī)超載工作所致。

4.5 失效分析結(jié)論

高壓渦輪I級轉(zhuǎn)子38號(hào)葉片第一道榫齒裂紋屬線源起裂的高周疲勞裂紋，起始應(yīng)力較大，裂紋起源于榫齒根部，葉片組織正常，源區(qū)未見機(jī)械損傷、異常磨損、腐蝕和制造缺陷。

5 結(jié)論

渦輪I級轉(zhuǎn)子葉片工作在高溫高轉(zhuǎn)速下，承受氣流激振應(yīng)力、溫度交變循環(huán)應(yīng)力、較大離心力。葉片的離心力主要由榫頭的5道榫齒承受，每道榫齒與榫槽為均勻配合狀態(tài)，在葉片工作時(shí)共同承受離心力。當(dāng)渦輪葉片榫頭與渦輪盤榫槽配合不均勻時(shí)，將導(dǎo)致個(gè)別榫齒與榫槽的異常接觸，而其余榫齒無法產(chǎn)生有效的面接觸，個(gè)別榫齒承受的離心力會(huì)超過設(shè)計(jì)要求。榫齒在較大離心應(yīng)力作用下，加之葉片工作過程中氣流激振導(dǎo)致持續(xù)的高頻低振幅振動(dòng)，將導(dǎo)致大應(yīng)力區(qū)萌生疲勞裂紋。

從故障葉片型面檢查來看，榫頭型面尺寸基本未偏離設(shè)計(jì)值，但是與同級其余葉片相比發(fā)現(xiàn)各榫齒磨損量不均勻。故障葉片對應(yīng)的渦輪盤榫槽型面尺寸也未偏離設(shè)計(jì)，但是38號(hào)葉片第一道榫槽根部R尺寸在葉背面小于葉盆面。根據(jù)渦輪盤榫槽加工過程分析，此處R的差異可能是加工過程控制不當(dāng)所致，此差異可能導(dǎo)致該榫槽與葉片榫頭配合不均勻。四種狀態(tài)共80個(gè)樣品葉片的活動(dòng)量測量結(jié)果也反映出38號(hào)榫槽安裝葉片后切線活動(dòng)量偏小，盤、片配合未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

綜上可得，渦輪I級轉(zhuǎn)子38號(hào)葉片榫齒根部裂紋故障原因是渦輪盤制造過程控制不當(dāng)，38號(hào)榫槽尺寸不均勻，葉片裝配后盤、片接觸不均勻，使第一道榫齒承受的離心力超過了設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致第一道榫齒萌生疲勞裂紋，裂紋萌生后在葉片高頻低振幅的振動(dòng)應(yīng)力下出現(xiàn)了高周疲勞擴(kuò)展。

作者簡介

聞騰炬，工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件修理技術(shù)工作。

王宏衛(wèi)，工程師，主要從事金相分析技術(shù)工作。

梁鵬，助理工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件修理技術(shù)工作。