航空發動機渦輪部件斷裂分析

賀孝濤

（海軍裝備部，陜西 西安 710021）

1 引言

航空發動機渦輪部件工作環境惡劣，失效概率高，模式復雜。分析研究其失效模式，總結失效特點和規律，對于提高發動機制造水平，確保飛行安全具有重要意義。

某航空發動機在外場工作500多h，地面開車檢查時，滑油壓力告警燈亮，收油門后，滑油壓力告警燈不滅，且超溫燈亮，T6溫度迅速上升，800℃以上時間約2min，最高1037℃。同時發現尾噴口內有大量金屬碎塊，低壓渦輪Ⅱ級轉子（以下簡稱低渦Ⅱ轉）葉片打傷變形，同時有嚴重的葉片斷裂和掉塊現象，放氣活門隨動桿斷裂。

該發動機高壓渦輪Ⅰ級導向（以下簡稱高渦Ⅰ導）葉片為鈷基鑄造高溫合金，其余3級導向葉片和高壓渦輪Ⅰ、Ⅱ級轉子葉片均為鎳基鑄造高溫合金，低壓渦輪Ⅰ、Ⅱ級轉子葉片為鎳基鍛造高溫合金。放氣活門隨動桿材料牌號為1Cr12Ni3MoVN。

通過現場勘查、斷口分析、金相檢查等手段，確認了本次發動機零部件的失效模式和主要原因。

2 故障調查

2.1 現場勘查

經現場勘查，渦輪部件損壞嚴重，表面有沉積物。

高渦Ⅰ導葉片和高壓渦輪Ⅰ級轉子（以下簡稱高渦Ⅰ轉）葉片正常，未見掉塊及斷裂現象，表面呈土黃色。

多片高壓渦輪Ⅱ級導向（以下簡稱高渦Ⅱ導）葉片葉身排氣邊掉塊，掉塊處有滲層鼓包起皺現象，葉身呈灰綠色或暗紅色。

所有高壓渦輪Ⅱ級轉子（以下簡稱高渦Ⅱ轉）葉片均由葉身中部斷裂，宏觀形貌基本相似，呈階梯狀，斷口粗糙，為灰綠色。

多片低壓渦輪Ⅰ級導向（以下簡稱低渦Ⅰ導）葉片排氣邊中部掉塊，葉背面有大量黑色粘著物。

全部低壓渦輪Ⅰ級轉子（以下簡稱低渦Ⅰ轉）葉片均由葉身中部斷裂，斷口形貌相似，均呈灰色，斷面粗糙，呈顆粒狀，未見疲勞斷裂特征。

個別低壓渦輪Ⅱ級導向（以下簡稱低渦Ⅱ導）葉片打傷、變形，未見斷裂現象。

多片低渦Ⅱ轉葉片打傷變形，未見斷裂現象。

高渦Ⅱ轉和低渦Ⅰ轉封嚴環內壁有嚴重摩擦痕跡和金屬覆蓋，局部區域的金屬覆蓋物剝落，呈金黃色高溫形貌。各級葉片宏觀形貌如圖1所示。

2.2 失效零部件分析

2.2.1 斷口分析

放大觀察所有渦輪部件斷口。

其中3級渦輪導向葉片出現掉塊，掉塊斷口均位于葉片排氣邊，尺寸不一，其斷口粗糙，表面有氧化色和金屬粘接物，斷口局部可見塑性變形，均屬過載斷裂。

圖1 裂紋宏觀形貌

高渦Ⅱ轉和低渦Ⅰ轉葉片全部由葉身中部斷裂，斷裂處無塑性變形、縮頸特征，進氣邊未見橫向裂紋和與進氣邊呈45℃角的變形溝線，放大鏡觀察所有高渦Ⅱ轉葉片和低渦Ⅰ轉葉片斷口，其斷口形貌相似，有輕微氧化色，斷口粗糙，斷面有明顯擴展棱線及臺階匯聚于葉背，為斷裂起始處，向葉盆擴展。

掃描電鏡顯微觀察高渦Ⅱ轉葉片斷口起源于葉背，線源，源區未見材料冶金缺陷，向葉盆方向擴展，擴展區疲勞特征不明顯，有明顯滑移臺階和河流花樣，斷口局部可見熔融孔洞（見圖2）。分析認為高渦Ⅱ轉葉片應屬低周疲勞斷裂，斷口有過燒特征。

圖2 高渦Ⅱ轉葉片斷口形貌

掃描電鏡顯微觀察低渦Ⅰ轉葉片斷口形貌（見圖3a）。斷口由葉背起裂，向葉盆方向擴展，顯微形貌為沿晶斷裂特征，斷口未見疲勞特征及冶金缺陷（見圖3b）。分析認為屬過載斷裂。

圖3 低渦Ⅰ轉葉片斷口形貌

2.2.2 組織分析

由各級葉片葉身取樣進行了顯微組織和硬度檢查，對各級葉片超溫狀態進行了評價，結果如表1所示。部分超溫葉片組織如圖4所示。

表1 各級渦輪葉片組織、硬度和超溫狀態

由表2和圖4看出，高渦Ⅱ導葉片、高渦Ⅱ轉葉片出現超溫過燒；低渦Ⅰ導葉片、低渦Ⅰ轉葉片出現超溫過熱；其余各級葉片均未見超溫過熱跡象。

2.2.3 渦輪封嚴環分析

對摩擦和覆蓋物沉積嚴重的高渦Ⅱ轉和低渦Ⅰ轉封嚴環進行了表面狀態分析。圖5為兩級封嚴環表面顯微形貌，其表面有較重摩擦損傷和大量金屬熔滴粘附。

對渦輪封嚴環表面粘附熔滴進行能譜分析，結果如表2所示。結果表明，高渦Ⅱ轉封嚴環表面粘接物主要為高渦Ⅱ轉葉片材料，低渦Ⅰ轉封嚴環表面粘接物主要為低渦Ⅰ轉葉片材料。

表2 渦輪封嚴環表面粘接物能譜分析結果（質量分數／%）

圖4 超溫葉片顯微組織

圖5 兩級渦輪封嚴環表面顯微形貌

2.2.4 放氣活門隨動桿斷口分析

放氣活門隨動桿在退刀槽內側轉接R處斷裂，斷口較平坦，未見明顯塑性變形，源區附近呈黃色，斷面有明顯疲勞弧線特征，疲勞擴展充分，占整個斷口面積的4／5，屬疲勞斷裂（見圖6）。顯微觀察，疲勞源為多源、線源，起源于較深加工刀痕，源區未見材料及冶金缺陷，疲勞擴展前期及后期均可見疲勞條帶，后期疲勞條帶較細密，瞬斷區為韌窩特征（見圖7）。放氣活門隨動桿材質檢測正常。

放氣活門隨動桿多源起裂表明起始應力較大，疲勞擴展充分，擴展后期疲勞條帶細密，表明該件疲勞斷裂具有高周疲勞擴展的特點。

圖6 放氣活門隨動桿斷裂位置及斷口形貌

3 分析與討論

3.1 超溫狀態與渦輪葉片斷裂關系

圖7 放氣活門隨動桿斷口顯微形貌

根據第1節對各相關零件的分析，可以看出發生失效的渦輪部件中，除高渦Ⅱ轉葉片屬低周疲勞斷裂外，各導向葉片及低渦Ⅰ轉葉片屬過載斷裂。依照斷口判斷的基本原則，渦輪部件中的首斷件為高渦Ⅱ轉葉片。斷口分析表明所有高渦Ⅱ轉葉片斷裂模式相同，不存在斷裂的先后，屬幾乎同時發生的。

組織分析表明，高渦Ⅱ轉葉片出現超溫過燒，因此需要判斷高渦Ⅱ轉葉片斷裂與超溫過燒的關系。一般而言，熱損傷引起的疲勞斷裂具有如下特征：①斷裂部位通常處于葉身中部高溫度區；②斷裂起始于進氣邊邊緣，源區呈深黑色，氧化嚴重，擴展區斷面較平坦，顏色比源區淺，有疲勞弧線，瞬斷區粗糙；③源區為沿晶韌斷，晶界存在初熔特征，擴展區有疲勞條帶；④大部分葉片進氣邊存在橫向裂紋，少則一條，多則十幾條，斷口形貌相似；⑤葉片高溫區出現γ′相長大、回溶，γ＋γ′共晶初溶及晶界變粗、熔化特征。本次失效高渦Ⅱ轉葉片均沿葉身中部高溫區折斷，斷口存在氧化及初熔，但斷口附近未發現變形溝線，橫向裂紋及沿晶韌斷等特征，與一般熱損傷引起的疲勞部分特征吻合，部分特征有別，不能充分說明超溫熱損傷是導致所有高渦Ⅱ轉葉片出現低周疲勞斷裂的原因。

渦輪轉子在正常工作情況下，轉子與封嚴環有一定間隙，允許摩擦到葉冠頂面的封嚴齒，但這種摩擦是輕微的，不會造成封嚴環表面出現嚴重摩擦。但渦輪封嚴環表面實際存在嚴重摩擦，并有金屬熔化，且熔化金屬以本級別葉片材料為主，表明渦輪葉片與封嚴環發生了嚴重摩擦。裝機葉片尺寸復查表明所有葉片尺寸正常，不存在導致摩擦的可能，所以，渦輪葉片在斷裂之前超溫伸長是其與封嚴環產生嚴重摩擦的唯一原因。由此看來，渦輪部件的失效過程因該是：首先是發動機超溫，引起渦輪轉子伸長，使得葉片與渦輪封嚴環出現嚴重摩擦，摩擦產生的附加彎曲應力作用于葉身，在葉片溫度最高，強度薄弱的葉身中部發生斷裂。高渦Ⅱ轉葉片低周疲勞斷裂，反映出這種超溫伸長是一個逐步嚴重的過程，也就是隨著溫度的增長，摩擦附加彎曲應力的逐步增長，進而疲勞斷裂的過程。

上述分析表明，超溫過熱引起葉片伸長是導致高渦Ⅱ轉葉片全部疲勞斷裂的原因。高渦Ⅱ轉葉片斷裂后致使發動機做功下降，出現熱量積聚，引起了渦輪部件進一步的超溫過燒、過熱，才有過熱超溫集中在高壓Ⅱ導葉片、高渦Ⅱ轉葉片、低渦Ⅰ導葉片、低渦Ⅰ轉葉片的可能，并在摩擦附加彎曲應力作用下引起低渦Ⅰ轉葉片過載斷裂。

3.2 渦輪超溫原因分析

超溫過熱引起葉片伸長是導致渦輪部件失效的主要原因，而渦輪超溫的因素有很多，如燃油霧化不良等。

根據發動機結構分析（見圖8），放氣活門隨動桿一端為轉軸，另一端為U型撥叉。其中轉軸通過外花鍵與防喘調節系統的放氣活門控制桿相連接，U型撥叉與放氣活門相連。轉軸在防喘調節系統的帶動下轉動，使U型撥叉擺動，從而帶動放氣活門運動，以達到開、關放氣活門的目的，將集氣腔的多余空氣放到外涵道中，實現內涵壓力的調節。

圖8 放氣活門隨動桿結構示意圖

當放氣活門隨動桿斷裂后，放氣活門無法工作，內涵壓力增大，致使高壓氣流進入燃燒室，發動機渦輪溫度提高，導致渦輪部件超溫。所以放氣活門隨動桿斷裂是導致渦輪超溫的主要原因。

調查分析認為放氣活門隨動桿多源起裂表明起始應力較大，除與R處刀痕有關外，與放氣活門隨動桿工作時，U型撥叉根部承受較大的彎曲應力和扭轉應力有關，而這種附加應力主要來源于裝配。

綜上可見，本臺發動機放氣活門隨動桿疲勞斷裂是導致渦輪部件超溫斷裂的主要原因。

4 結論及建議

基于前文所作分析，有如下建議：

（1）放氣活門隨動桿疲勞斷裂是導致渦輪部件超溫斷裂的主要原因；

（2）裝配引入較大附加應力是放氣活門隨動桿疲勞斷裂的主要原因，轉接R處較深加工刀痕促進了疲勞裂紋的萌生；

（3）加大放氣活門隨動桿的轉接R，提高加工表面質量，控制放氣活門變形量及搖臂軸的軸向位置度，有利于減小附加彎曲應力，避免隨動桿早期疲勞斷裂。

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