壓氣機轉子葉片掉塊失效機理分析

王全，王寅超，佟文偉，翟賢超，李青

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

壓氣機用于為發動機正常工作、座艙增壓、渦輪散熱、發動機起動等提供壓縮空氣[1]。壓氣機轉子葉片是壓氣機的重要零件之一，直接影響壓氣機的氣動性能、工作可靠性、質量及成本等[2-3]。在工作過程中不僅承受較大的離心負荷、氣動負荷、大氣溫差負荷及振動的交變負荷，還要經受發動機進氣道外來物的沖擊及風沙、潮濕的侵蝕等，故壓氣機轉子葉片的故障率比其他零部件的高很多[4-6]，其常見失效模式主要包括外來物打傷、共振、強度裕度不足、材質缺陷、異常碰摩等。

國內外專家針對壓氣機轉子葉片的故障檢測分析及設計加工改進等方面開展了諸多研究。Kermanpur等[7]分析了TC4鈦合金壓氣機葉片的斷裂失效機理，認為在葉根位置的疲勞斷裂是因葉根和燕尾槽接觸異常以及葉根耐磨性差造成的；高志坤等[8]對燃氣輪機壓氣機轉子葉片進行了斷裂分析，認為葉片產生疲勞斷裂與葉尖和機匣的碰摩及原始加工刀痕有關；李小麗等[9]通過設計專用傳感器，采用概率正態分布和線性回歸方法分析試驗數據，成功地對壓氣機葉片進行了裂紋原位檢測；Suzuki等[10]利用模擬計算分析沙粒進入壓氣機對葉片性能的影響，表明葉片前緣的磨損比尾緣的更為嚴重；Turner等[11]開展仿真分析模擬了發動機葉片葉尖碰摩瞬態的振動模型，并通過試驗驗證了理論分析的正確性；陳亞莉等[12]通過采用新型數控銑加工技術，實現了壓氣機葉片型面和進、排氣邊緣的精密銑削加工，提高了壓氣機的氣動效率。

某高壓壓氣機轉子葉片采用優質TA11鈦合金鍛造而成，主要加工工序包括模鍛、機械加工、表面噴丸和振動光飾。本文針對該高壓壓氣機轉子葉片進氣邊產生掉塊的故障以及壓氣機各級部分轉、靜子葉片存在不同程度打傷的狀況，開展了宏觀檢查、斷口分析、材質分析和有限元仿真分析。

1 故障葉片檢查與分析

1.1 宏觀檢查

故障高壓壓氣機轉子葉片宏觀形貌如圖1所示。從圖中可見，靠近加強筋側的弦向斷口為A斷口，靠近葉尖側的弦向斷口為B斷口，二者之間的徑向斷口為C斷口。C斷口存在明顯的由葉背側向葉盆側的塑性變形，A、B斷口整體未見明顯塑性變形。掉塊位于葉片進氣邊側的加強筋與葉尖端面之間區域，近似呈方型；掉塊上邊緣距葉尖端面約為11.1 mm，下邊緣距加強筋約為1.6 mm。放大觀察，對掉塊部位尺寸進行測量，靠近加強筋側約為9.48 mm，靠近葉尖側約為6.52 mm，進氣邊開口約為8.89 mm，掉塊面積約為66.2 mm2。掉塊部位葉盆側和葉背側均可見氧化變色現象。如圖2所示。

圖1 故障葉片宏觀形貌

圖2 葉片掉塊部位翻邊和葉盆側及葉背側氧化變色形貌

對掉塊各斷口表面及其附近區域，以及其余轉、靜子葉片被打傷部位進行能譜分析，均為葉片基體元素，未發現其他異常元素；且掉塊A、B斷口均無明顯塑性變形，可以排除外來物打傷導致葉片掉塊的可能性。

1.2 斷口分析

A斷口宏觀形貌如圖3所示。從圖中可見，斷口表面嚴重磨損，可觀察到沿葉片厚度方向的磨損痕跡，局部區域可見氧化變色現象。

圖3 A斷口宏觀形貌

在掃描電鏡中觀察，A斷口微觀形貌如圖4所示。從圖中可見，大部分區域已嚴重磨損，無法觀察到原始斷裂形貌特征。在靠近葉盆側磨損較輕區域可見少量放射棱線形貌，如圖5所示。

圖4 A斷口微觀形貌（50倍）

圖5 A斷口放射棱線形貌（200倍）

B斷口宏觀形貌如圖6所示。從圖中可見，與A斷口的基本一致，大部分區域已嚴重磨損，無法觀察到原始形貌特征，可觀察到明顯的沿葉片厚度方向的磨損痕跡，斷口大部分表面發生明顯氧化變色。靠近C斷口交界處葉盆側存在1處弧形區域。

圖6 B斷口宏觀形貌

B斷口微觀形貌如圖7所示。從圖中可見，大部分區域原始斷裂形貌已磨損破壞。放大觀察弧形區域主要為帶狀花樣形貌特征，表明該區域是在多次擠壓磨損作用下形成的。

圖7 B斷口微觀形貌

A、B斷口與C斷口交界處宏觀形貌如圖8所示，從圖中可見，葉盆側和葉背側表面均存在明顯的氧化變色區域，且在該區域內存在多條小裂紋。根據主裂紋判斷的“T”型法則，在通常情況下，橫貫裂紋先形成為主裂紋，阻止隨后裂紋的擴展[13]。因此，由小裂紋的擴展方向可以判斷A、B斷口均產生于C斷口之前。

圖8 A、B斷口與C斷口交界處宏觀形貌

C斷口宏、微觀形貌如圖9所示。從圖中可見，斷口表面存在宏觀可見的磨損痕跡，在掃描電鏡中放大觀察，在未磨損區域可見典型的韌窩形貌。結合3處斷口的斷裂順序，可知C斷口為掉塊的最后瞬時斷裂區域。

圖9 C斷口形貌

在微觀觀察過程中發現，葉片葉盆側在B斷口附近區域存在多條與A、B斷口擴展方向一致的弦向微裂紋，裂紋位于距B斷口表面約為0.6～2.9 mm內，較長的2條微裂紋在葉盆側擴展長度分別約為3.68、3.32 mm，裂紋并未貫穿至葉背側表面，形貌如圖10所示。

圖10 微裂紋微觀形貌（50倍）

將其中1條微裂紋打開，斷口微觀形貌如圖11所示。從圖中可見，斷口表面較平坦，可見清晰的疲勞弧線和放射棱線形貌特征，表明該微裂紋性質為疲勞；根據放射棱線的匯聚方向判斷，疲勞起源于葉盆側表面，呈線源特征，裂紋向葉背側擴展，深度約為0.35 mm。疲勞源區未見明顯的冶金缺陷，疲勞擴展區可見細密的疲勞條帶形貌，斷口呈高周疲勞特征。

圖11 微裂紋斷口微觀形貌

根據上述斷口分析結果，A、B斷口與弦向微裂紋擴展方向一致，且在斷口表面局部未磨損區域存在疲勞形貌特征，由此推斷A、B斷口與弦向微裂紋性質相同，均為高周疲勞開裂。在擴展過程中，斷口表面在振動應力和離心載荷往復作用下產生較重磨損，最終在C斷口處瞬時斷裂，形成掉塊。

1.3 葉尖端面檢查

故障葉片葉尖端面不同區域的宏觀形貌如圖12所示。從圖中可見，在靠近進氣邊區域有明顯的磨損痕跡，且存在葉盆側向葉背側的磨損塑性變形；在遠離進氣邊區域磨損較輕。對葉尖端面磨損較重區域進行能譜分析，結果見表1。從表中可見，除葉片基體材料（TA11鈦合金）成分外，還含有較多的Al和Si元素。上述檢查結果表明，在發動機工作過程中，故障壓氣機轉子葉片與機匣鋁硅氮化硼封嚴涂層產生了較重的磨損。

圖12 故障葉片葉尖端面不同區域的宏觀形貌

表1 葉尖端面磨損較重區域能譜分析結果 wt/%

1.4 成分分析

對故障葉片掉塊附近基體進行能譜分析，結果見表2。從表中可見，主要合金元素質量分數與TA11合金標準成分基本相符。

表2 故障葉片掉塊附近基體能譜分析結果wt/%

1.5 組織檢查

在故障葉片掉塊附近基體取樣進行金相組織檢查，其組織形貌如圖13所示。從圖中可見，其組織主要為等軸α相和拉長α相組織，未見明顯的異常現象。

圖13 故障葉片掉塊附近基體組織形貌

1.6 力學性能測試

對故障葉片掉塊附近基體進行布氏硬度測量，結果（見表3）滿足設計要求。

表3 故障葉片掉塊附近基體布氏硬度測量結果

在故障葉片榫頭處取樣，進行室溫拉伸性能測試，結果（見表4）滿足技術標準要求。

表4 故障葉片榫頭室溫拉伸性能測試結果

2 有限元分析

根據宏觀檢查和斷口分析結果，故障葉片葉尖和加強筋之間區域在進氣邊側產生了多條弦向疲勞裂紋，裂紋擴展進而造成掉塊，且在葉尖靠近進氣邊的端面與機匣封嚴涂層之間存在較重的碰摩。

為明確碰摩對葉片受力的影響，利用Abaqus有限元分析軟件進行仿真模擬分析。葉片有限元模型及載荷加載方式如圖14所示。采用C3D10單元類型進行網格自動劃分，共劃分6420個單元，3214個節點。

圖14 葉片有限元模型及載荷加載方式

根據故障葉片葉尖端面磨損情況，進氣邊一側碰摩明顯重于排氣邊一側的，因此推斷碰摩力主要作用在葉尖進氣邊側區域。在葉尖靠近進氣邊區域施加切向階躍脈沖激振力，作用方向由葉盆指向葉背，與碰摩力方向一致，激振力隨時間變化曲線如圖15所示。脈沖激振力設定為100 N，周期為故障葉片旋轉1周所用時間。并分別在進氣邊側靠近加強筋區域（監測點1）、葉尖靠近進氣邊區域（監測點2）、葉身根部（監測點3）選取監測點，在碰摩力作用下葉片監測點應力時域曲線如圖16所示。

圖15 激振力隨時間變化曲線

圖16 在碰摩力作用下葉片監測點應力時域曲線

根據上述有限元仿真分析結果可知，當機匣封嚴涂層與葉片之間的碰摩主要作用在靠近進氣邊側的葉尖時，在各監測點中葉身前緣加強筋區域的應力響應明顯高于其他部位的。

故障壓氣機葉片的瞬時應力分布如圖17所示。從圖中可見，在碰摩力作用下，由于葉身上部加強筋的影響，葉身前緣葉尖與加強筋之間的區域產生明顯的應力集中，應力集中部位與故障葉片產生疲勞裂紋及掉塊區域基本吻合。

圖17 碰摩力作用下故障葉片瞬時應力分布

3 分析與討論

對故障壓氣機轉子葉片掉塊區域，及其轉、靜子葉片被打傷部位進行能譜分析，均未發現除葉片基體成分之外的其他異常元素，且A和B掉塊2處斷口均未產生明顯塑性變形，由此排除外來物打傷造成故障葉片產生掉塊的可能性。

由斷口分析結果可知，在故障壓氣機轉子葉片葉尖與加強筋之間的前緣區域存在多條與掉塊擴展方向相同的微裂紋，裂紋斷口表面可見清晰的疲勞弧線和放射棱線形貌特征，放射棱線匯聚于葉盆側表面，在擴展區存在細密的疲勞條帶特征，表明裂紋性質為線性起源于葉盆側表面的高周疲勞裂紋[14-15]。在掉塊斷口表面局部未磨損區域可觀察到疲勞形貌特征，因此推斷故障掉塊區域最初在葉片前緣區域萌生A、B斷口對應的疲勞裂紋及擴展，斷口表面在振動應力和碰摩力等外在因素作用下發生較重磨損，最終在C斷口處發生瞬時徑向斷裂，造成掉塊。

TA11合金為近α型鈦合金，適用在450℃以下長時期工作，在國內外有比較成熟的應用經驗[16-17]。故障葉片成分符合技術標準要求，金相組織未見異常，所用材料的力學性能也符合標準要求。且對微裂紋斷口疲勞源區背側散射觀察可知，在疲勞源區未見明顯的冶金缺陷。以上結果表明故障葉片萌生疲勞裂紋發生掉塊與葉片的材質和冶金缺陷沒有直接關系。

在不考慮實際加工尺寸和裝配等因素影響的理想狀態下，高壓壓氣機轉子葉片不會與機匣發生碰摩。但在發動機的實際工作中，壓氣機轉子葉片葉尖難免與機匣發生相互摩擦，因此需要在發動機機匣轉子外環塊表面噴涂帶有鋁硅氮化硼可磨耗的封嚴涂層（Metco320NS）。該涂層是近年來國外廣泛應用的具有良好性能的中溫封嚴涂層材料，用于降低轉子葉片的磨損，能有效地減小葉尖與機匣之間的間隙，從而提高壓氣機的效率[18-19]。在故障葉片葉尖靠近進氣邊區域存在較重的磨損痕跡，而在遠離進氣邊區域磨損較輕，且存在葉盆側向葉背側的磨損塑性變形，說明故障葉片在高速旋轉過程中與機匣封嚴涂層發生了較重的非均勻碰摩[20]。

結合有限元仿真分析結果，當葉片葉尖進氣邊區域存在與機匣封嚴涂層之間由葉盆側向葉背側方向周期性碰摩時，在葉身進氣邊側的葉尖與加強筋之間區域產生明顯的應力集中，與故障葉片萌生疲勞裂紋及掉塊區域基本一致。此時葉盆側受拉應力，葉背側受壓應力，而葉片微裂紋疲勞起源于葉盆側表面，二者相一致，說明碰摩帶來的附加應力確實對葉片產生疲勞開裂起到了直接作用。當對同臺份的葉片進行裝配狀態尺寸復查時發現，故障葉片葉高尺寸偏大，已達到設計上限值，使其距機匣的間隙偏小，在工作過程中更容易與機匣發生嚴重碰摩，受到的切向碰摩力更大，因此較先于其他葉片萌生裂紋[21]。

綜上所述，故障壓氣機轉子葉片在工作過程中，葉尖與機匣封嚴涂層發生較重的非均勻碰摩，使前緣加強筋附近區域產生明顯應力集中，并且在振動應力和離心載荷等因素的共同作用下，導致葉片萌生多條疲勞裂紋，進而產生掉塊。

4 結論

（1）故障壓氣機轉子葉片掉塊A、B斷口性質均為起源于葉尖與加強筋之間前緣區域葉盆側表面的疲勞裂紋，擴展至C斷口處時發生瞬時斷裂，最終形成掉塊；

（2）葉尖與機匣封嚴涂層發生較重的非均勻碰摩是導致葉片掉塊的主要原因；

（3）故障葉片過早萌生疲勞裂紋并產生掉塊與葉片材質和冶金缺陷無關。

在不影響壓氣機效率情況下，適當地加大轉子葉片與機匣的徑向間隙，并且嚴格控制裝配質量和機匣封嚴涂層尺寸，可有效地降低該類故障的發生率。