發動機高壓渦輪葉片的氧化損傷分析

韓世進 常城

摘要：高壓渦輪葉片是渦扇發動機中工作條件最惡劣的零部件，不僅承受轉子葉片自身的離心力、振動載荷，還承受極端的熱應力，極易發生損傷。在葉片的各類損傷中，氧化損傷是最常見的一種，也是造成其他損傷的一個重要因素。本文通過對渦輪葉片構造特點的分析及熱損傷機理的探討，重點介紹了葉片的氧化損傷及其表現形式，為維修人員對損傷的判定提供參考。

關鍵詞：高壓渦輪葉片；熱障涂層；氧化

Keywords：HPT blade；thermal barrier coating；oxidation

0 引言

發動機的渦輪前溫度是衡量發動機性能的一項重要指標。在其他條件不變的情況下，發動機渦輪前溫度每提升100℃，發動機的最大推力就可以提升8%～10%。渦輪前溫度的提高主要依賴于葉片材料的耐高溫能力和葉片冷卻技術的發展。

圖1為渦輪葉片冷卻技術的發展狀況對渦輪前溫度的影響[1]。

除了冷卻技術，另一個影響渦輪前溫度的關鍵因素是渦輪葉片材料的耐高溫性能。為了提高葉片的耐高溫性能，其材料一般選用單晶體的鎳合金，且在葉片基體上施加額外的熱障涂層（TBC）。

1 熱障涂層的構成

熱障涂層具有優異的隔熱、抗氧化、抗腐蝕性能，將其涂覆于葉片表面，能夠顯著提高發動機熱效率，降低能耗。廣義的熱障涂層一般是由陶瓷頂層、熱生長氧化膜（Thermally Grown Oxide，簡稱TGO）和粘接層組成的多層結構體系。一些文獻資料中，有時也會單將陶瓷頂層稱為熱障涂層。

陶瓷頂層的導熱系數低，起主要的隔熱作用。結合現行的先進冷卻技術，目前可形成約300℃的溫度降幅。粘接層一般為MCrAlY（M為過渡金屬，含Ni、Co等元素）或Pt改性鋁化物涂層，主要用以緩沖陶瓷層與基體間較大的熱膨脹系數差異，起粘結過渡的作用，同時兼具系統的氧化腐蝕防護功效（見圖2）。在高溫環境工作時，熱障層與葉片基體的界面會形成一層連續致密的保護膜（TGO層），對基體提供保護[2]。

決定熱障涂層使用壽命的一個重要因素就是粘接層的氧化。渦輪葉片經過長時間的使用后，熱障層的粘結強度通常會降低，熱障層與基體材料之間不可避免的熱應變會使其粘合強度超負荷，從而發生涂層剝落，不僅導致基體過熱，剝落的涂層顆粒還會對氣流下游的熱部件造成損壞。

以某型CFM56發動機為例，其葉片陶瓷層的主要成分為白色的氧化鋯，厚度約為0.15mm[3]。氧化鋯在高溫下成為離子導體，可將氧氣直接帶到粘接層中。此外，特定功能段的裂紋和多孔性也會使空氣中的氧分子直接到達粘接層表面。

2 熱障涂層的失效模式

渦輪葉片的熱障涂層失效較為常見，是導致葉片發生損傷的一個重要因素。由于發動機內部環境復雜多變，涂層失效原因也很復雜（見圖3）。幾種常見的失效模式如下。

1）陶瓷層燒結

沉積后的陶瓷層，當工作溫度超過特定溫度時就會迅速發生燒結。燒結過程會引起陶瓷的體積和材料性質的變化。燒結使陶瓷層發生收縮，產生面內拉應變，引起垂直界面的裂紋，導致熱障涂層剝落。

2）粘接層氧化

高溫環境下粘接層會氧化形成氧化層，導致其在界面附近發生體積膨脹。由于受到周圍材料的約束，氧化層形成的同時就伴隨著殘余壓應力。粘接層的氧化會惡化陶瓷層的粘結強度。即使只有幾微米的厚度，粘接層與陶瓷層之間熱生長氧化物也會引起陶瓷層的局部剝落，并加速基體材料薄弱區域的熱疲勞。

3）邊緣效應

在渦輪葉片的邊角位置（如冷卻氣孔處），由于材料性質不同，會產生應力奇異。熱障涂層的剝落常常起源于這些部位。

4）熱腐蝕影響

航空發動機使用的燃油中一般含有鈉、硫等雜質，因此熱障涂層經常遇到熱腐蝕問題，包括氧化、氮化和硫化等。

5）沖擊損傷

發動機氣流中的小顆粒物體會沖擊涂層表面并與之摩擦，引起涂層微觀結構的損傷和厚度的降低，從而使金屬基體溫度升高，加速粘接層的氧化。發動機點火電嘴的材料脫落是較常見的一類。

此外，高溫熱循環過程中熱障涂層各種材料的性質、熱梯度、制備過程及冷卻后涂層內產生的殘余應力等都對其壽命產生影響。

3 葉片的氧化損傷

氧化是高溫腐蝕的一種典型損傷類型，是由于氧氣參與而導致的一種腐蝕，嚴重的氧化也常稱為燒蝕。文獻中一般將氧化定義為最終導致氧化物形成的各種破壞機理，可將其看作是各種損傷的上位概念，是一個比較寬泛的概念。

氧化可通過基體與大氣中氧氣的直接反應而發生，或通過反應鏈和擴散過程發生。如果這些反應生成的氧化物被應力（如熱應力、體積變化、裂紋和剝落等）侵蝕損壞，氧化就會繼續進行，直到其不可避免地削弱橫截面并導致部件失效。正常的抗氧化涂層變薄或遭受相當大的熱損傷（如剝落或卷起），就會加速基體材料的侵蝕。

如果葉片長時間處于高于設計溫度的條件下，可能會造成“沖刷”狀的短裂紋和“起皺”的表面材料丟失，通常稱為“橙皮效應”。熱疲勞裂紋會因氧化作用而生長，這與時間的影響很大。至少在一段時間內，裂紋擴展非常緩慢[1]。

如果葉片壁已經被完全氧化，則熱氣會進入冷卻空氣管道，導致冷卻空氣損失，不僅直接影響部件，可能還會引起其他嚴重損傷。極端情況下，溫度處于液相線溫度范圍內或嚴重氧化時，葉片將部分分離，并且沒有明顯的可識別的斷面，分離面會變得粗糙。如果溫度稍低，在固相線溫度范圍內，葉片的部分區域將發生折斷。這通常發生在葉片的尖端和特別薄的后邊緣區域。

渦輪葉片的變色是氧化損傷一個早期典型的特征，但由于其造成的后果并不嚴重，在發動機維護時通常會與氧化區別對待。氧化損傷除具有變色的特征外，一般都會伴隨著一些其他的形態損傷，如裂紋、表面起皺或材料丟失等，其后續可能造成更加嚴重的后果。

圖4是某型發動機典型的葉片氧化損傷，與單純變色相比，其葉片表面的材料形態有不同程度的損毀。

4 結束語

渦輪葉片的變色與氧化損傷都是典型的發動機熱損傷，航空公司在“發動機防空?！钡膲毫ο拢扇≈斏鞯膽B度來對待葉片的變色。很多時候，一些變色可能會被判定成氧化損傷，從而采取更加嚴格的管控措施。從某種程度上來說，這也是一種過度維修。雖然飛機運行因此更加安全，但通常都會伴隨著大量的投入。正確區分這兩種損傷需要大量的經驗積累，但也能帶來更大的經濟效益。

參考文獻

[1] Axel Rossmann. Aeroengine Safety，11.2.3. The Turbine [DB/OL]. https：//aeroenginesafety.tugraz.at，2021.

[2]薩拉瓦納穆圖，等著，黃維娜，等譯. 燃氣渦輪原理[M]. 航空工業出版社，2015.

[3] CFM56-7B Engine Shop Manual CFMI-TP-SM.10 [Z]. 2021.

[4] CFM International. Borescope Inspection Guide，GEK 119346 [Z]. 2015.