某動力渦輪盤裂紋擴(kuò)展壽命研究

鄒煜申 ，宣海軍 ，范夢龍 ，郭小軍 ，單曉明 ，洪偉榮

（1.浙江大學(xué)，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室，杭州310027；2.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南株洲412002）

0 引言

航空發(fā)動機(jī)渦輪盤工作時承受著高溫、高離心載荷等作用，其低循環(huán)疲勞特征較明顯，而低循環(huán)疲勞是發(fā)動機(jī)盤類零件壽命損耗的主要原因之一。同時，低循環(huán)疲勞失效是輪盤使用中最嚴(yán)重和耗資最大的問題之一[1-2]。配裝于美國B-52轟炸機(jī)的TF33發(fā)動機(jī)因低循環(huán)疲勞失效先后導(dǎo)致8個輪盤破裂；國內(nèi)WP6和WP7發(fā)動機(jī)也多次發(fā)生過嚴(yán)重的輪盤低循環(huán)疲勞斷裂失效事故[3-7]。

因此，對于關(guān)鍵件的壽命管控就顯得尤為重要。若疲勞壽命設(shè)計(jì)采用安全壽命設(shè)計(jì)法，危險(xiǎn)部件出現(xiàn)裂紋即視為失效，要被淘汰。斷裂力學(xué)的發(fā)展表明，帶有裂紋的結(jié)構(gòu)件在一定時間段是可以繼續(xù)使用的。損傷容限的概念則應(yīng)運(yùn)而生。在美國發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱中，損傷容限定義為：結(jié)構(gòu)在存在疲勞、腐蝕或意外損傷直至這個損傷通過檢查被測定出來或進(jìn)行結(jié)構(gòu)修理之前，仍然具有足夠的剩余強(qiáng)度[8]。國內(nèi)外很多學(xué)者對此做過相關(guān)研究工作。2002年，RA Claudio等[9-10]提出1套復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3維裂紋斷裂力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法，估算燃?xì)鉁u輪盤壽命，與CT試樣結(jié)果具有較高一致性；2003年，W.Beres等[11]運(yùn)用損傷容限設(shè)計(jì)方法預(yù)測了Nene-X發(fā)動機(jī)渦輪盤檢測周期；2008年，W.Beres等[12]在輪盤以及隔墊上預(yù)制寬度1.3 mm的缺口進(jìn)行了整盤裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，J.Hou等[13]比較了不同軟件計(jì)算整盤裂紋擴(kuò)展壽命的準(zhǔn)確性。1988年，聶景旭等[14]較早將損傷容限理論應(yīng)用于發(fā)動機(jī)渦輪盤槽底疲勞失效分析；1995年，王革等[15]利用材料的裂紋擴(kuò)展速率數(shù)據(jù)和高溫?cái)嗔秧g度完成裂紋擴(kuò)展壽命計(jì)算，確定了臨界裂紋長度。

本文以某動力渦輪盤的GH4169合金為研究對象，采用3維裂紋擴(kuò)展有限元仿真方法計(jì)算裂紋擴(kuò)展過程，在立式高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺上進(jìn)行高溫、預(yù)制裂紋輪盤的低循環(huán)裂紋擴(kuò)展壽命試驗(yàn)，通過得到斷口的宏觀與微觀形貌，研究整盤裂紋擴(kuò)展疲勞壽命仿真計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證方法。

1 仿真計(jì)算

1.1 有限元應(yīng)力分析

輪盤材料為GH4169合金，葉片采用樅樹形榫頭連接，有偏心孔和安裝孔各12個、榫頭60個。低循環(huán)試驗(yàn)上限轉(zhuǎn)速定為20500 r/min，下限轉(zhuǎn)速根據(jù)試驗(yàn)器能力設(shè)置為1500 r/min，設(shè)置均溫溫度場，溫度根據(jù)工作溫度而定。由于輪盤具有循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)，取1/12模型計(jì)算，采用6面體1階網(wǎng)格單元（solid185單元）劃分模型，如圖1所示。為了便于計(jì)算，將葉片的離心力等效為面壓力施加在榫頭表面。

圖1 某渦輪盤網(wǎng)格模型

計(jì)算得到的渦輪盤等效應(yīng)力和周向應(yīng)力如圖2、3所示。從圖中可見，最大等效應(yīng)力為1021 MPa，最大周向應(yīng)力為1039 MPa，位置相同，偏心孔處為應(yīng)力最大部位，中心孔處的其次，榫頭根部的最小，結(jié)果見表1。

圖2 等效應(yīng)力

圖3 周向應(yīng)力

表1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

1.2 裂紋擴(kuò)展計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，確定裂紋擴(kuò)展計(jì)算的考核部位，如圖4所示。考慮到渦輪盤結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)和易出現(xiàn)裂紋的類型，在考核部位插入半徑為0.38 mm的1/4圓形初始角裂紋，插入角裂紋劃分網(wǎng)格后各子模型如圖5所示。

圖4 裂紋擴(kuò)展計(jì)算考核位置

圖5 插入裂紋劃分網(wǎng)格后的子模型

計(jì)算子模型的斷裂力學(xué)參量，利用M積分計(jì)算得到應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ、KⅡ、KⅢ及J積分值，隨后進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析。計(jì)算中作如下設(shè)置：裂紋擴(kuò)展方式選擇橫幅疲勞擴(kuò)展；取應(yīng)力比R=0；裂紋擴(kuò)展的扭轉(zhuǎn)角度計(jì)算準(zhǔn)則選用最大張應(yīng)力準(zhǔn)則；裂紋擴(kuò)展速率模型選用Paris公式式中：d N為交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)增量；d a為相應(yīng)的裂紋長度增量；d a/d N為裂紋擴(kuò)展速率；ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值；C和n的數(shù)值根據(jù)同批材料CT試樣實(shí)測值確定，取 C=1.4E-15，n=3.75。

計(jì)算得到渦輪盤上4個考核位置a-N（裂紋長度-循環(huán)次數(shù)）的曲線，如圖6所示。從圖中可見，當(dāng)各考核點(diǎn)處裂紋擴(kuò)展至15 mm附近時，偏心孔徑向向內(nèi)約需要13200次，偏心孔徑向向外約需要16200次，中心孔徑向約需要33100次，由于偏心孔環(huán)向與榫頭根部環(huán)向擴(kuò)展速度非常緩慢，此處不做討論。偏心孔徑向（向內(nèi)或向外）裂紋擴(kuò)展速率遠(yuǎn)高于其它部位的。由此，選擇偏心孔為試驗(yàn)主考核部位，中心孔為次考核部位。

圖6 裂紋長度-循環(huán)次數(shù)曲線（a-N曲線）

2 裂紋擴(kuò)展壽命試驗(yàn)

試驗(yàn)前，在動力渦輪盤考核部位采用電火花預(yù)制邊長為0.3 mm的方形角裂紋，缺口截面形狀如圖7所示。試驗(yàn)在520℃的高溫環(huán)境下進(jìn)行，采用熱電偶測控爐內(nèi)溫度，以高精度紅外測溫儀監(jiān)測高速旋轉(zhuǎn)試件表面溫度。試驗(yàn)共分3個階段，見表2。第1階段完成9000次循環(huán)后未發(fā)現(xiàn)裂紋；第2階段將上限轉(zhuǎn)速提升10%至22550 r/min，3000次循環(huán)后檢查發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展；第3階段繼續(xù)進(jìn)行1700次循環(huán)后輪盤破裂。

圖7 缺口截面

表2 裂紋擴(kuò)展壽命試驗(yàn)情況

3 疲勞斷口分析

觀察輪盤碎片可以判定偏心孔處徑向向內(nèi)裂紋快速擴(kuò)展導(dǎo)致輪盤破裂，各預(yù)制裂紋處均可見擴(kuò)展的疲勞裂紋，選取導(dǎo)致輪盤破裂的偏心孔疲勞斷口進(jìn)行分析。

3.1 疲勞斷口觀察

偏心孔處疲勞斷口如圖8所示。從圖中可見明顯的疲勞弧線。根據(jù)疲勞弧線的法線方向可以推定裂紋從預(yù)制處萌生后向外的擴(kuò)展路徑。通過仿真得到的裂紋前沿?cái)U(kuò)展歷程如圖9所示。經(jīng)對比可見仿真計(jì)算結(jié)果較好的擬合了裂紋的前沿?cái)U(kuò)展形狀。

圖9 仿真計(jì)算裂紋前沿形狀

在掃描電鏡下觀察疲勞斷口的裂紋萌生區(qū)、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)、快速擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，斷口全貌如圖10所示，疲勞斷口微觀形貌如圖11所示。

圖10 掃描電鏡下的斷口全貌

圖11 疲勞斷口微觀形貌

通過對疲勞斷口觀察可知，裂紋在預(yù)制缺口處開始萌生，在該處出現(xiàn)較多二次裂紋，表明該處承受較大的疲勞載荷。在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)可以觀察到明顯的疲勞條帶，其間距隨著裂紋長度擴(kuò)展而逐漸增大。當(dāng)裂紋長度超過一定尺寸時，可以觀察到有韌窩的形狀，表明該處裂紋已進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)，輪盤發(fā)生破裂。

3.2 疲勞斷口分析

圖11中的1個疲勞條帶對應(yīng)1次應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)，為此選取圖10中的路徑，對斷口疲勞條帶間距進(jìn)行定量分析，獲得a-d a/d N數(shù)據(jù)。將第1、2試驗(yàn)階段視為裂紋萌生階段，將第2試驗(yàn)階段的裂紋長度視為相應(yīng)位置處的初始裂紋長度，按照第3階段的載荷條件，即上限轉(zhuǎn)速為22550 r/min下計(jì)算得到裂紋擴(kuò)展a-N數(shù)據(jù)，利用七點(diǎn)遞增多項(xiàng)式法計(jì)算裂紋擴(kuò)展速率[16]，獲得a-d a/d N結(jié)果，比較試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果，如圖12所示。從圖中可見，初始階段仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測得的裂紋擴(kuò)展速率接近，之后二者之間的偏差逐漸增大。

圖12 裂紋擴(kuò)展速率對比

4 結(jié)論

（1）本文采用在大應(yīng)力區(qū)域預(yù)制模擬裂紋的方法，結(jié)合3維裂紋擴(kuò)展仿真計(jì)算，利用立式旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺開展裂紋擴(kuò)展速率研究，建立了1種有效的試驗(yàn)驗(yàn)證方法。

（2）在100%轉(zhuǎn)速即20500 r/min下試驗(yàn)進(jìn)行9000次循環(huán)后并未發(fā)現(xiàn)裂紋，轉(zhuǎn)速提升10%至22550 r/min時，3000次循環(huán)即發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂紋，說明短時間的超載有很大可能誘發(fā)裂紋萌生。

（3）比較仿真計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，計(jì)算得到的某動力渦輪盤裂紋前沿?cái)U(kuò)展形狀、擴(kuò)展速率與試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性。仿真計(jì)算得到的擴(kuò)展速率偏快，計(jì)算相對保守。這可能與材料的分散性有關(guān)，因此建立完整可靠的材料數(shù)據(jù)庫對于仿真計(jì)算的發(fā)展十分重要。

本文研究的裂紋類型均為角裂紋，并未涉及工程實(shí)踐中常見的表面裂紋，因此后續(xù)研究工作會涉及更多類型的裂紋，并增加試驗(yàn)子樣數(shù)以提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性。