R20燃氣輪機渦輪工作葉片斷裂失效分析

王 輝

(航發燃氣輪機(株洲)有限公司, 湖南 株洲 412000)

燃氣輪機是一種服役時需承受嚴酷氣動負荷、機械負荷和高溫負荷,同時又要求具有高耐久性的熱動力機械[1-4]。R20燃氣輪機是WJ6航空發動機改型而來,是一款以焦爐煤氣、天然氣、馳放氣及黃磷尾氣為燃料的航改型燃氣輪機。其燃料可選范圍廣、氣質要求低,具有廣闊的應用市場,深受用戶青睞。至今已為用戶提供約200臺,機組大修周期最高超過2萬h。

葉片失效是發動機的常見失效形式之一[5-6]。燃氣輪機渦輪工作葉片在高速旋轉狀態下工作,不僅要承受復雜的作用力和熱負荷,還要承受環境介質的腐蝕與氧化,其工作環境十分惡劣,因而出現失效的概率較高[7-8]。深入分析研究渦輪葉片失效原因,總結失效特點和規律,對于提高燃氣輪機制造水平,確保電站安全運行意義重大。本文就其中一種斷裂失效情況進行分析。

本次事故燃氣輪機渦輪工作葉片材料為GH4033變形高溫合金,用于800 ℃以下服役的渦輪工作葉片。

1 故障情況

某電站燃燒焦爐煤氣進行發電,燃氣輪機運行了8 000 h突然振動加大并跳機,停機后再次冷轉振動即達到3.5 mm/s2(重力加速度測振)。手觸摸燃燒室機匣有明顯振感,手動盤車時發現有異響,經過工業內窺鏡孔探檢查發現渦輪第三級動葉葉片斷裂,經協商決定將該燃氣輪機返廠分解,分解后排除了異物擊傷及超溫故障,找到首斷件后對葉片斷裂做原因分析。

2 外觀檢查

2.1 斷口宏觀檢查

對葉片進行了編號,首斷件是在榫齒處斷裂的葉片,將其編號為1,斷裂位置在緣板下方第一榫齒根部,其葉身部分已無法找到。另外兩個用來對比分析的故障機第二級葉片分別編號為 2和3,其葉身根部R處上緣及靠近葉尖的位置被打傷,如圖1所示。

(a) 斷裂處

1號葉片斷口整體形貌見圖2(圖3為斷口局部放大),從葉盆側進氣邊交界處向葉背側排氣邊的斷口表面上存在多條弧形區,區內斷面較為平坦,為疲勞擴展區域。區域內有明顯的金屬氧化痕跡,這與裂紋張開后在高溫條件下空氣進入有關。根據以上斷口宏觀形貌,大致判斷疲勞裂紋在葉盆側進氣邊交界區域內萌生,并且瞬斷區占比約大于50%,表明葉片該部位承受載荷較大。

圖3 1號葉片斷口局部放大形貌

開裂位置對應榫齒面的形貌,隱約可見疲勞弧線,見圖4箭頭1指示位置。第一榫齒面上存在磨損形貌,與第二榫齒面形貌相比,磨損情況更為嚴重,圖4中箭頭3指示為磨損區域和未磨損區域的交界線。根據以上特征,判斷疲勞源區位于圖4中箭頭2指示的區域,在葉盆側距離進氣邊 3～4 mm 的表面研磨區域交界處,疲勞源區進一步放大形貌見圖5,箭頭指示的疲勞源區域的磨損情況較為嚴重,箭頭指示的未磨損區域存在表面噴丸處理的痕跡。

圖4 開裂位置對應榫齒面的放大形貌

圖5 疲勞源區進一步放大形貌

2.2 微觀檢查

圖6(a)是斷口面上距離進氣邊和葉盆面交界處0～2.2 mm范圍內的形貌,方框內的放大形貌見圖6(b)。在斷口小平面上能夠觀察到明顯的疲勞條帶,見圖6(b)中箭頭指示位置,通過疲勞條帶可以推測疲勞源區在該視場的左側。

圖7(a)是第一榫齒接觸面區域整體微觀形貌,右側框區域距交界處約為2.5 mm,形貌見圖7(b), 僅在100倍下便可在靠近疲勞源區400 μm的區域內觀察到疲勞條帶,說明裂紋萌生后在較大的應力下擴展。圖7(b)靠近外表面可見反復研磨的特征,見黑色箭頭指示位置,是疲勞裂紋在萌生后反復張開、閉合相互擠壓所致。圖7(c)是圖7(a)中左側框區域內的放大形貌,距離交界處約3.5 mm, 該區域同樣存在從榫齒面向外擴展的疲勞條紋。 結合圖6(b)、圖7(b)和圖7(c)形貌,可判斷疲勞源為線源,并非從一個局部區域內萌生疲勞裂紋,疲勞源區位于磨損與未磨損區域的交界線。圖7(d)是疲勞條帶的放大形貌。圖7(e) 是疲勞擴展區與瞬斷區交界位置的形貌,瞬斷區主要以沿晶斷裂形貌為主。

(a) 第一榫齒接觸面區域整體微觀形貌

(b) 右側框區域內的放大形貌

(c) 左側框區域內的放大形貌

(d) 疲勞條帶的放大形貌

(e) 疲勞擴展區與瞬斷區交界位置的形貌圖7 第一榫齒斷口形貌

2.3 金相檢查

為了確定榫齒表面研磨區域下方的金相組織變化,在線性疲勞源區域內垂直于斷口切割金相樣品,并在拋光態檢查金相組織。從截面看,榫齒接觸面上存在多處凹坑,見圖8(a) 和8(b) 中箭頭指示位置。凹坑邊緣和底部存在塑性變形痕跡和微裂紋,見圖 8(c) 和 8(d)中箭頭標記位置。

(a) 榫齒接觸面(低倍)

(b) 榫齒接觸面(高倍)

(c) 凹坑邊緣

(d) 凹坑底部圖8 拋光態形貌

圖9是1和2號葉片的金相組織形貌,通過多視場對比2和1號斷裂葉片榫齒相同部位晶粒度,晶粒尺寸相當均為3級,碳化物強化相分布形態相同。

(a) 1號葉片

(b) 2號葉片圖9 葉片榫齒相同部位晶粒度對比

由圖10 可見γ′ 相有相對粗大的立方形和細小球形兩種形態,局部有形成立方陣列趨勢。GH4033為變形高溫合金,γ/γ′ 相晶格錯配度小,性能熱處理后γ′相應呈球形均勻分布。圖10所示形態是由于長期使用后,γ′ 相長大到較大尺寸引起晶格錯配效應,使部分γ′ 相由球形轉變成立方形進而再轉變為立方陣列形態。

(a) 5 000倍

(b) 10 000倍圖10 微觀γ′相形態

2.4 力學性能

在被打傷的3號葉片中切取2根M6×Φ3的拉伸試樣,分別記為A和B試樣,在室溫條件下進行拉伸性能測試,結果如表1。根據表中結果說明服役8 000 h后,葉片塑性出現下降。

表1 拉伸性能測試結果

2.5 其他葉片榫齒面形貌檢查

根據以上宏觀形貌分析,確定1號葉片過早地發生疲勞斷裂,與第一榫齒表面發生的異常磨損有關。為進一步驗證,在體視鏡下將2號和3號葉片葉盆側第一榫齒面的磨損情況與1號葉片進行對比,結果見圖11,可見1號葉片第一榫齒面的磨損情況更為嚴重。

3 結果分析與討論

宏觀檢查結果顯示:1號葉片在葉盤面進氣邊緣板下方第一榫齒面上斷裂。失效性質為疲勞,疲勞源區為線源,疲勞裂紋在榫齒面上的研磨區域邊緣萌生,疲勞擴展區占斷口總面積約1/2,第一榫齒根部存在噴丸處理形貌,見圖2至圖5。

微觀檢查結果顯示:1號葉片疲勞源區對應榫齒表面存在擠壓變形和往復研磨的痕跡,在掃描電鏡100倍的放大倍數下,靠近疲勞源區僅400 μm的區域內可以觀察到疲勞條紋,說明裂紋擴展時應力較大,見圖7(b)。對比2和3號葉片的相同位置,1號葉片第一榫齒面研磨情況較為嚴重,見圖11。緣板下方第一榫齒面通常承受著較大的工作應力,微動磨損最常在葉片榫齒與渦輪盤榫槽的樅樹型配合區域出現,噴丸處理是最有效的提升疲勞壽命的方法。材料表面因微動損傷出現的裂紋通常在磨痕兩側,與斷口觀察到疲勞源區位置相符。

(a) 1號

(b) 2號

(c) 3號圖11 各葉片榫齒面形貌對比

金相檢查結果顯示:1號葉片疲勞源區縱截面的金相組織檢查中發現存在多處表面凹坑,局部地方存在微小裂紋。1號和2號葉片榫頭區域的金相組織無明顯差別,晶粒度均為3級。

雖然2號葉片在使用后發生組織變化,導致拉伸塑性指標下降,但對比1號和2號葉片榫頭的洛氏硬度值無明顯差別,均在國內標準要求的范圍內,符合正常熱處理工藝要求,故判斷1號葉片過早發生疲勞斷裂與力學性能差異無關。

根據以上結果,對比被打傷的2號和3號葉片的第一榫齒面的磨損形貌,1號葉片失效與榫齒面和榫槽面之間出現的微動磨損有關,導致疲勞裂紋在磨損邊緣萌生。

4 結論

(1) 葉片的失效原因為疲勞,在緣板下方第一榫齒面上開裂,疲勞源為線源,在葉盆側距離進氣邊 3～4 mm 的表面研磨區域交界處。對比2和3號葉片的相同位置,1號葉片第一榫齒面研磨情況較為嚴重,研磨區域內含有較高的鐵和氧元素,與榫齒面和渦輪盤榫槽面發生微動磨損有關,導致疲勞裂紋過早地萌生。

(2) 從宏觀上觀察斷口的疲勞擴展區比例、疲勞條紋寬度和疲勞條紋出現位置,判斷為高周疲勞且疲勞裂紋擴展應力較高。

(3) 與被打傷的2號葉片相比,1號葉片榫頭的金相組織和晶粒度未見差別,化學成分和硬度均符合國內資料中要求值。長期使用后發生性能衰退,拉伸塑性指標下降會引起斷裂韌性降低,微觀存在γ′相發生聚集長大,形態轉變為立方形。微動疲勞影響因素眾多,主要因素有微動幅值、接觸面擠壓應力、表面粗糙度、表面殘余應力、接觸幾何、材料特性、溫度等。經過長期使用后已無法探究初始狀態,很多因素已無法分析,接觸面擠壓應力可通過強度計算分析。