離心葉輪掉塊分析研究

劉昌標，趙小全，劉麗玉 ，吉曉樂

1.中國航發常州蘭翔機械有限責任公司 江蘇常州 213000

2.陸軍裝備部航空軍事代表局駐上海地區航空軍事代表室 江蘇常州 213000

3.中國航發北京航空材料研究院 北京 100095

1 序言

在工程機構和機械設備中，疲勞失效的現象極為廣泛[1]。機械零件的破壞有50%～90%為疲勞破壞[2]。航空發動機離心葉輪受氣動和高速轉動離心力等工作環境的影響產生疲勞裂紋的現象時有發生，裂紋擴展掉塊會打傷其他工作部件，甚至引發嚴重事故。因此研究離心葉輪疲勞失效尤為重要。在對影響離心葉輪疲勞失效的多種因素研究中，多數情況下關注零件材質冶金缺陷、加工工藝、設計結構等，往往忽略環境因素的影響。因此，研究影響離心葉輪疲勞失效的因素對預防葉輪失效有重要的工程意義。

某型發動機在外場使用過程中檢查發現發動機運轉異常，分解發動機檢查發現離心葉輪輪轂位置出現掉塊。截止故障發生時，發動機累計工作時間為972h53min。

離心葉輪材料為2Cr13不銹鋼，硬度要求28～35HRC。本文對離心葉輪斷裂部位進行了宏微觀分析，得出了斷裂性質，確定了葉輪的斷裂原因。

2 試驗過程

2.1 離心葉輪外觀檢查

此型機離心葉輪為導風輪及離心葉輪粘接結構，整個葉輪上共有16片葉片，葉輪在某兩葉片間的輪轂部位發生掉塊，掉塊一側連續數片葉片在導風邊部位存在明顯刮傷痕跡，如圖1所示。在掉塊相鄰的連續兩個葉片葉背側葉根附近各存在一條徑向裂紋，如圖2所示。裂紋擴展路徑和掉塊斷口徑向擴展段相似，且在裂紋末端也出現往周向擴展的弧形拐彎。在圖1、圖2中還可看到，葉輪前端面表面存在較密集的黑點甚至麻坑，而后端面較光亮，為正常的機加工表面。

圖1 離心葉輪損傷形貌

圖2 輪轂掉塊及相鄰的裂紋位置宏觀形貌

2.2 離心葉輪掉塊斷口觀察

按掉塊擴展路徑，將斷口大致分為三段：第一段為沿葉片葉根徑向擴展的徑向斷面1，擴展長約17mm，為裂紋擴展前中期；第二段為周向擴展的周向斷面，為裂紋擴展中后期，另一側的徑向斷面2為瞬斷區，可看到收集到的掉塊殘片與掉塊缺口基本匹配，除打彎及磨損外未出現明顯的缺失，如圖3所示。

圖3 掉塊斷口擴展走向

從斷口斷面上觀察，徑向斷面1呈現兩個弧形擴展臺階面，兩個臺階面平坦，僅見個別大弧線，兩個臺階面的疲勞分別起源于距外緣約3.5mm和13.6mm的輪轂前端面兩處位置，沿厚度方向往后端面擴展，如圖4所示。其中源1區域可見數個小點源，疲勞點源處均可見深約50μm的腐蝕坑，如圖5所示。擴展區可見細密的疲勞條帶，如圖6所示，瞬斷區為典型的韌窩形貌[3]，如圖7所示。

圖4 掉塊斷口宏觀形貌

圖5 源區特征

圖6 弧線間的疲勞條帶

圖7 瞬斷區韌窩形貌

2.3 裂紋斷口觀察

1#裂紋打開后整個裂紋斷口上均可見清晰的大小弧線，疲勞起源于距外緣16.8mm處的輪轂前端面，2#裂紋打開斷口與掉塊斷口徑向斷面特征相似，斷面平坦，弧線特征不如1#裂紋斷口明顯，明顯的一處的源區位置位于距外緣約3.5mm處的輪轂前端表面，如圖8所示。源區可見數個點源，均有腐蝕特征，如圖9、圖10所示。

圖8 裂紋斷口宏觀形貌

圖9 1#裂紋源區特征

圖10 2#裂紋源區特征

1#裂紋和2#裂紋斷口疲勞擴展區疲勞條帶寬度與掉塊斷口相當，如圖11所示。

圖11 裂紋斷口疲勞擴展區條帶

2.4 離心葉輪表面腐蝕形貌觀察

離心葉輪掉塊和裂紋斷口源區均可見明顯腐蝕現象，如圖12所示。

圖12 葉輪輪轂前端面上的麻點

掃描電鏡下觀察，在葉輪輪轂前端面宏觀觀察到的明顯麻點處大多可見沿晶腐蝕坑，如圖13所示。而輪轂后端面則為原始的加工表面。

圖13 斷口附近輪轂前端面的腐蝕坑

對斷口表面的腐蝕坑進行能譜分析，腐蝕坑內可檢測到較高的腐蝕介質Cl-，如圖14所示，檢測結果見表1。

圖14 腐蝕坑能譜檢測

表1 腐蝕坑能譜檢測結果

2.5 組織及硬度檢查

在2#裂紋斷口下方截取金相試樣（見圖15）進行觀察。

圖15 金相試樣取樣

2#裂紋橫截面金相檢驗，在輪轂前端面表面可見多處腐蝕黑斑，而后端面表面未見“黑斑”，如圖16所示。金相試樣腐蝕前后，均可見黑斑沿晶腐蝕現象，基體組織未見異常，如圖17所示。

圖16 前后端面表面腐蝕情況

圖17 “黑斑”形貌

對2#裂紋附近及完好輪轂附近基體進行維氏硬度檢測，兩者硬度無明顯差異，且均符合技術條件要求，見表2。

表2 離心葉輪輪轂硬度檢查

3 分析與討論

離心葉輪輪轂掉塊與裂紋位置及擴展路徑相似，掉塊和裂紋打開斷口平坦，宏觀均可見疲勞弧線，微觀均可見細密的疲勞弧線，疲勞擴展充分，掉塊和兩條裂紋同模失效，失效性質為高周疲勞掉塊（裂紋）[4]。離心葉輪掉塊和裂紋均起源于靠近葉片葉根的輪轂前端面，失效位置組織及硬度未見異常，源區未見冶金缺陷，掉塊和開裂的原因與材質無關。零件發生高周疲勞失效往往與振動有關，掉塊和裂紋位于連續的4個葉片間的輪轂處，位置集中，從分布上看具有節徑型共振的特點。此外，掉塊和裂紋呈現多個點源特征，且每個源區均可見不同程度的腐蝕現象，說明源區腐蝕對裂紋的萌生具有明顯的促進作用。源區檢測出較多的Cl元素，該型發動機是在遠海服役，葉輪輪轂前端面的腐蝕元素Cl應是來源于發動機的服役環境。

因此，發動機離心葉輪輪轂掉塊和裂紋的產生原因是輪轂表面存在嚴重的腐蝕，在振動應力下產生裂紋及掉塊。

2Cr13為馬氏體型不銹鋼[5]，雖然該型不銹鋼在大氣環境中具有較好的耐蝕性，但在含氯離子溶液中，2Cr13鋼表面的鈍化膜容易溶解[6]，氯離子對金屬材料的腐蝕有兩個方面的作用[7，8]：一是氯離子破壞金屬的鈍化膜，使材料發生點蝕；二是氯離子直接參與金屬材料的陽極溶解過程，導致基體產生腐蝕。

為了提高離心葉輪的防腐性能，防止再出現類似問題，對葉輪輪轂部位進行涂漆保護。后續交付的發動機在外場服役過程中未再出現此類問題。

4 結束語

1）發動機離心葉輪斷裂性質為高周疲勞，掉塊及裂紋均起源于葉輪輪轂表面的腐蝕坑，呈多個點源特征。

2）發動機離心葉輪輪轂掉塊和裂紋的原因是輪轂表面存在嚴重的腐蝕，在振動應力下產生疲勞裂紋及掉塊。

3）對輪轂部位采取涂漆保護措施后，未再發生此類故障。