低壓三級工作葉片振動疲勞試驗裂紋失效分析

李繼宏，張國軍，全瓊蕊，劉衛東，劉秀麗，白貞妮

（1.中國航發航空科技股份有限公司計量理化中心，四川成都 610503；2.中航邁特粉冶科技（北京）有限公司，北京 100176）

2A02 合金是鋁-銅-鎂系可熱處理強化合金。在固溶處理加人工時效后，具有較高強度、塑性和良好的耐熱性能與加工性能。主要用于制造工作溫度200～300℃范圍的渦輪噴氣發動機葉片、葉輪等部件，在航空航天中廣泛應用[1，2]。

目前，對航空發動機低壓三級工作葉片振動疲勞強度影響因素分析，主要集中在以下幾個方面：李莉的疲勞壽命影響因素的試驗研究，應用三參數Weibull 分布描述了疲勞壽命分布的特性，研究了應力集中、表面加工及尺寸三方面對疲勞壽命分布的影響[3]；劉存的某型發動機第2 級渦輪葉片低循環疲勞壽命分析，應用熱彈性有限元應力分析，研究了某型發動機第2 級渦輪葉片所受最大應力部位[4]；天津大學幸杰在學位論文中，利用有限元模擬的方法，對不同缺口形式的壓氣機葉片進行的高低周疲勞模擬實驗表明，高低周循環比及不同缺口形式是影響疲勞裂紋的主要因素[5]。以上研究均從單一的模擬角度分析，并沒有從金相、力學、材質、機加工工藝和葉片結構尺寸等角度多方面進行系統、全面的綜合分析。

本文對生產疲勞考核不通過的葉片與生產疲勞考核通過的葉片，從外觀觀察、斷口宏、微觀分析、葉片組織、硬度、轉接R 及葉片取樣拉伸性能等方面，對葉片振動疲勞考核不合格原因進行綜合分析。最終找出了葉片失效的機理，為避免類似故障重復發生提供重要的技術依據。

1 概述

某型機風扇葉片每批成品葉片出廠裝機前需要經過生產疲勞檢驗，生產疲勞不合格或者工藝有調整則需進行極限疲勞檢驗。低壓三級工作葉片材料為2A02 鋁合金，毛坯后的主要工序為：普通機加—熱處理—陽極化—振動光飾。

2 試驗過程與結果

2.1 宏觀觀察

在生產疲勞考核不通過的葉片中隨機抽取兩件葉片進行分析。表1 為兩件振動疲勞提前破壞的葉片信息。圖1 為低壓三級葉片外觀、葉片裂紋位置及熒光顯示照片。從兩個葉片外觀和熒光顯示照片看，兩件葉片裂紋位置基本一致，均在偏向進氣邊一側的葉背與榫頭轉接R 處。

表1 振動疲勞提前破壞的葉片信息

圖1 低壓三級葉片外觀、葉片裂紋位置及熒光顯示照片

圖2 為生產疲勞考核不通過的葉片與生產疲勞考核通過的葉片裂紋位置及表面形貌。從葉片缺陷位置上看，葉片振動疲勞裂紋細長，閉合性好（如圖2a）。與生產疲勞通過考核的葉片靠葉根部分的葉片表面對比看，葉片表面無明顯差異。在體式鏡下觀察，葉片裂紋處于轉接R 處拉長晶粒和等軸晶粒的交界處，呈直線狀穿晶分布，裂紋區域所在的R 區域處于葉片熱加工變形差異過渡區，為拉長晶粒和等軸晶粒過渡區域（如圖2a、2b）。兩件未通過考核的葉片表面形貌和振動疲勞通過考核的葉片無明顯差異，裂紋處表面加工刀痕均不明顯（如圖2a、2b），整體看這些葉片的振動光飾后的表面形貌未見明顯差異。

圖2 葉片裂紋位置及表面形貌

2.2 斷口分析

兩件葉片裂紋打開斷口宏觀形貌基本一致，從斷口放射棱線的收斂方向可見裂紋起源葉片緣板與葉背轉接R 處，靠近葉背一側，斷口上宏觀可見明顯的擴展棱線，斷裂起源為單源特征，兩個斷口起源位置均距進氣邊一側的榫頭端檐約20～22mm 位置，見圖3。

圖3 葉片裂紋打開斷口外觀

掃描電鏡下觀察，兩件生產疲勞考核不通過的葉片，裂紋斷口源區均起源于表面，將源區放大后觀察，可見源區均存在明顯的拋痕或凹陷，裂紋沿拋痕起源后向內部擴展，均未見冶金缺陷和明顯的加工缺陷，擴展區均由解理臺階和放射棱線組成，有解理河流狀花樣，可見細密的疲勞條帶，人為打斷區為韌窩特征，見圖4。

觀察葉片裂紋斷口側面，源區位置葉片葉背表面未見連續的加工刀痕，整體看未見加工損傷，和其他位置表面差異不大，見圖5。

圖5 葉片裂紋源區側面形貌

2.3 金相組織觀察

分別在考核未通過葉片和考核通過葉片上的靠近裂紋位置截取葉片橫截面金相，拋磨金相，腐蝕進行金相組織檢查。從腐蝕低倍上看，考核未通過葉片較考核通過葉片晶粒組織稍細一些，但均未見明顯粗晶現象，見圖6a、b。葉片組織主要為α-Al 和彌散分布的第二相[6]，組織未見異常，見圖6c、d。

圖6 葉片金相組織形貌

2.4 葉片拉伸性能測試

將兩件考核未通過試樣進行拉伸性能和硬度檢測，同時為了對比將考核通過試樣在相同部位取樣進行拉伸性能和硬度檢測，結果見表2。結果表明，未通過批次的兩個葉片取樣其中有一根試樣拉伸性能中延伸率低于技術條件要求，其他均合格，說明葉片組織還是存在一定的分散性，但整體看，未通過批次和通過批次的葉片取樣拉伸性能和硬度結果差異不大。

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表2 葉片葉身取樣室溫拉伸性能和硬度檢測結果

2.5 轉接R 檢測

選擇兩件考核未通過葉片和一件考核通過葉片在起源對應位置截取葉片葉根縱截面，進行葉盆側和葉背側葉根轉接R 檢測。整體看，葉片葉盆葉背兩側葉根轉接過渡相對較好，未見接刀痕等轉接不良的現象。葉盆葉背兩側的葉根轉接R 檢測結果表明，考核通過葉片和未通過葉片葉根位置轉接R 符合技術條件要求。考核通過葉片葉盆和葉背兩側的轉接R 一致性更好，見表3。

表3 葉根轉接R 檢測結果/mm

2.6 低壓III 級工作葉片葉根部轉接R 處三坐標檢測

選取前期生產疲勞合格件與不合格件，以及生產疲勞未過的同批次在制品、雙倍不合格待極限疲勞的同批次在制品，共186 件進行三坐標檢測（3 件疲勞合格件、3 件疲勞不合格件、2 個極限疲勞未過批次、5 個雙倍不合格待極限疲勞件）。圖7 為對低壓III 級工作葉片按理論UG 模型分別在葉盆和葉背根部轉接R（R5±0.5）處各取5個截面，每個截面取3 個點進行三坐標檢測，即葉盆CC-R1～CC-R15 點，葉背CV-R1～CV-R15點。

生產疲勞合格件，葉盆數據在0.071～0.730之間，葉背數據在-0.228～0.690 之間，各截面相對厚度在0.106～1.01 之間，各截面3 個點之間數據差值最大0.56。

生產疲勞不合格件，葉盆數據在-0.18～0.81之間，葉背數據在-0.20～0.74 之間，各截面相對厚度在-0.20～1.34 之間，各截面3 個點之間數據差值最大0.68。

其余180 件在制品，葉盆數據在-1.28～1.98之間，葉背數據在-1.74～0.96 之間，各截面相對厚度在-0.201～1.34 之間，各截面3 個點之間數據差值最大1.0 以上。

生產疲勞合格件與生產疲勞不合格件三坐標檢測結果對比情況表明：生產疲勞合格件截面之間厚度差值跨度較小，各截面3 個點之間數據差值最大0.56；生產疲勞不合格件截面之間厚度差值跨度較大，各截面3 個點之間數據差值最大0.68；生產疲勞合格件R 轉接過渡情況較好，生產疲勞不合格件R 轉接過渡分散性較大。

3 分析與討論

本文分析的兩件考核未通過的低壓三級工作葉片裂紋細小，裂紋斷口可見細密的疲勞條帶，葉片裂紋性質均為高周疲勞[7]。葉片裂紋位于一彎振動應力節線處，且起源位置處于此型結構葉片一彎振動最大應力區，因此低壓三級工作葉片符合振動疲勞試驗情況下的破壞模式。

據調查分析，與以往未通過生產疲勞或極限疲勞考核試樣的裂紋位置一致，均出現在靠進氣邊一側的葉背面葉根轉接R 處（一彎振動節線處），且綜合以往其他葉片裂紋分析情況，發現這些葉片起源位置也基本一致，約在距進氣邊約20mm 位置區域處，有限元結果表明，起源位置與此結構葉片進行振動疲勞試驗應力最大位置基本吻合，此外，斷口上未見冶金缺陷和明顯的加工缺陷，因此兩件葉片振動疲勞破壞完全符合正常試驗情況下的振動破壞模式，說明葉片裂紋位置的應力水平超出了構件所能承受的疲勞極限。

3.1 材質疲勞強度

葉片構件振動疲勞試驗取決于試驗應力和構件振動疲勞強度。對于此型號的低壓三級工作葉片來看，一直采用這種振動疲勞考核方式，且完全參考了以往考核通過的葉片振動疲勞考核方法，試驗應力和方法都未發生變化，本次試驗過程也未見異常，且破壞位置未見異常，因此葉片未通過振動疲勞試驗考核，應與葉片的振動疲勞強度有關。葉片振動疲勞強度第一個相關因素就是材質的疲勞強度[8，9]。從目前檢查結果看，考核未通過葉片材質雖存在一定的分散性，導致個別取樣拉伸性能檢測存在偏離技術條件要求的上限，但整體看，本批葉片材質檢驗包括成分、拉伸性能、硬度、組織等方面和以前批無明顯差異，材質組織和性能整體相當，因此材質問題可能不是構件的振動疲勞強度低的主要原因。

3.2 機加工

葉片構件的振動疲勞強度，不僅與材料振動疲勞強度有關，還與葉片形狀尺寸、表面完整性等方面都有關，尤其是一些轉接位置的尺寸細節問題。

圖7 低壓III 級工作葉片三坐標檢測

此型葉片表面是振動光飾狀態，一般來說振動光飾不僅能改善表面粗糙度等問題，還能讓葉片表面形成一定的壓應力層，強化表面[10，11]。但從目前裂紋起源看，起源均在表面，不排除考核未通過葉片表面振動光飾效果不好的可能性。因此建議通過參考通過與未通過葉片和國產葉片葉根轉接處葉型尺寸參數和表面完整性（如振動光飾效果）等方面的對比結果，進一步確定葉片振動疲勞考核不通過的原因，并在工藝上細化相關技術條件要求。

通過優化振動幅度、振動頻率、拋光液濃度、光飾時間及磨粒的運動軌跡來優化葉片表面的完整性，使葉片表面光飾一致，無殘余應力，不影響零件變形，達到保持原有設計性能的要求。對數控銑葉型、拋光葉型，振動光飾等重點工序進行現場符合性監督，使得從X 截面至根部轉接R 處規律延伸。

機加工工序改進完成后，隨機抽取6 件葉片送生產性疲勞檢驗，考核仍未通過。可見，機加工不是造成生產疲勞檢驗不合格的主要原因。

3.3 葉片結構尺寸

從葉根轉接R 尺寸檢測結果看，均符合技術條件要求，且考核未通過件和考核通過件葉片轉接R 尺寸相當，但從委托方提供的葉片尺寸計量結果發現，考核通過件R 到葉身轉接處的型面輪廓度大于考核未通過件R到葉身轉接處的型面輪廓度（但工藝文件上無此項要求），且葉片截面之間厚度尺寸參數存在差異。說明考核未通過葉片和考核通過葉片葉根轉接處的葉型細節上還是存在差異，且考核未通過葉片此位置的輪廓度較為隨機，會影響葉片的疲勞抗力。

4 結論與建議

（1）低壓三級工作葉片裂紋性質為高周疲勞，符合振動疲勞試驗情況下的破壞模式。

（2）葉片未通過振動疲勞試驗考核，可能與葉片葉背轉接R 角度及葉片厚度等方面帶來葉片的振動疲勞強度偏低有關。

（3）建議通過參考通過與未通過葉片葉根轉接R 角度及葉片厚度等方面的對比結果，進一步確定葉片振動疲勞考核不通過的原因，并在工藝上細化相關技術條件要求。

5 改進措施

適當加大R 到葉身轉接處的型面輪廓度；從Ⅸ截面開始至Ⅹ截面逐漸加厚葉片厚度，使得從X 截面至根部轉接R 處規律延伸。

6 效果驗證

根據對低壓III 級工作葉片葉根部轉接R 處角度及葉片厚度等相關工藝技術條件的優化。在180 件在制品中隨機抽取8 件低壓III 級工作葉片進行疲勞試驗，考核均通過，見表4。

表4 改進后效果驗證