某高压压气机第4级转子叶片断裂分析

高志坤，胡 霖，张开阔，李 洋，刘 冬

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引言

压气机是燃气轮机的关键部件之一，其主要作用是提高工作介质的空气压力。转子叶片数量多、形体单薄、转速高，以及载荷、工况复杂，使其成为使用中故障率最高的零部件之一[1]。转子叶片最常见的失效模式为疲劳失效，其原因多种多样，主要包括共振、外物打伤、腐蚀、材质缺陷、微动损伤、叶尖碰摩等[2-5]。国内外学者对碰摩故障的动力学机理和碰摩模型进行了深入研究[6-10]，认识了由碰摩故障导致的波形截头、倍频、分频以及混沌等特征和现象，并通过试验验证了理论分析的正确性[11-13]。然而，碰摩使叶片承受非正常冲击载荷引起的叶片疲劳失效分析方面未见国内外相关报道，并且与传统叶片共振的失效模式差异性较难界定。

在某型燃气轮机试车时，1片高压压气机第4级转子叶片发生断裂故障，导致该级其它转子叶片及其后面的转子、静子叶片被打伤、变形。高压压气机第4级转子叶片由综合性能较好的GH4169高温合金模锻成形。工艺流程主要为：下料→探伤→锻造→切边→校正→检验→热处理→粗加工→精加工→抛光→喷丸→振动光饰等。类似故障在燃气轮机上首次发生，因而探究其失效机理，对进一步完善设计和改进工艺有一定借鉴意义。

本文通过对断口的宏、微观形貌观察、表面检查、成分分析、组织检查、硬度检测等多方面对故障叶片进行分析，以明确其失效模式及原因，并提出相应的改进措施。

1 试验与结果

1.1 宏观检查

故障叶片宏观形貌如图1所示。断裂发生在叶身根部、距离缘板表面约1 mm的叶背与缘板的转接R区。从图中可见，断口平坦，呈银灰色，无明显氧化色，进、排气边和叶盆侧边缘可见剪切唇特征，说明裂纹应起源于叶背侧；叶背侧裂纹大体平直，中间段有长约8.15 mm的下沉台阶。

图1 故障叶片宏观形貌

故障叶片榫头宏观形貌如图2所示。从图中可见，故障叶片榫头工作面挤压、磨损痕迹明显，且分布不均，呈对角挤压特征，如图3所示；叶片对应的第4级转子外环块涂层磨损严重，并有大面积脱落现象，表明转子叶片叶尖与机匣涂层碰摩，如图4所示。同级其他叶片榫头工作面损伤痕迹轻微，未见明显的对角挤压特征，如图5所示。

图2 故障叶片榫头形貌

图3 故障叶片榫头压痕位置

图4 转子外环块涂层损伤形貌

图5 同级其他叶片榫头形貌

1.2 断口宏观观察

故障叶片断口宏观放大形貌如图6所示。从图中可见，断口处有明显的疲劳弧线特征，表明故障叶片断口应为疲劳断口[14]；从疲劳弧线的方向判断疲劳源位于叶背侧表面，向进、排气边和叶盆侧侧扩展，源区呈线性特征。

图6 整流支板断口宏观形貌

1.3 断口微观观察

采用LEO1450型扫描电镜对故障叶片断口进行观察，低倍形貌如图7（a）所示。从图中可见，在断口处有明显的疲劳弧线和放射棱线特征，由其方向进一步表明故障叶片从叶背侧向进、排气边和叶盆方向疲劳扩展。疲劳分3个台阶线性从叶背侧表面起始，中间台阶长约8.0 mm，为主源，次源位于主源两侧，表明叶片为多源疲劳断裂。对疲劳源区放大观察，形貌如图7（b）、（c）所示。从图中可见，源区有一定程度磨损，未见明显的冶金缺陷，表面有一浅层无明显断裂特征区域，应为叶片原始加工刀痕，疲劳裂纹起源于该区域。源区高倍形貌如图7（d）所示。从图中可见，浅层区域（加工刀痕）深入基体约4.4μm，表明疲劳起源与加工刀痕有关；此外，在疲劳起始区可见疲劳条带特征。在疲劳扩展区中部，主要呈韧窝+疲劳条带特征，扩展后期为韧窝形貌，分别如图 7（e）、（f）所示。

图7 断口微观形貌

1.4 表面检查

采用扫描电镜对叶片疲劳源区附近叶背表面进行观察可见，在断口主疲劳源下方还存在多条明显的平行加工刀痕，形貌如图8（a）所示；放大观察该加工痕迹，已局部开裂，如图8（b）所示，说明故障叶片断口起始应力较大；疲劳源附近表面为喷丸+振动光饰后形貌，仍可见明显加工痕迹，如图8（c）所示；叶片喷丸工艺试片表面喷丸覆盖率远低于100%要求，如图 8（d）所示。

图8 断口微观形貌

1.5 成分分析

利用能谱分析仪对叶片基体、断口源区和扩展区分别进行成分分析，结果见表1。从表中可见，故障叶片基体成分满足标准要求；在断口疲劳源区、扩展区除基体材料成分外，还含有O元素，且疲劳源区氧含量高于扩展区的，表明可能与叶片断口磨损有关。

表1 能谱分析结果 W/%

1.6 硬度测试

在故障叶片断口附近取硬度试样，用TH320型全洛氏硬度计测定洛氏硬度，结果为415、415、420 HB，符合≥346 HB的技术要求。

1.7 金相检查

从与故障叶片相同锻造批次的叶片叶身和榫头截取金相试样，将其打磨、腐蚀后观察显微组织，形貌如图9所示。结果见表2，符合标准要求。

图9 叶片组织形貌

表2 叶片金相组织检查结果

1.8 模拟试验

为了明确故障叶片大应力疲劳起始的成因，选取3片叶片进行共振频率下的振动疲劳试验，振动应力为1300 MPa。其中有1片叶片试验后裂纹位置与故障叶片的相近，形貌如图10所示。从图中可见，裂纹断口为单源疲劳，断口较细腻，扩展区未见疲劳弧线特征，源区呈类解理形貌，近源区未见疲劳条带，榫头工作面挤压痕迹轻微，未见明显的对角挤压特征，上述形貌特征与故障叶片断口特征不符。

2 失效原因分析

故障叶片的材料成分、组织和硬度均满足标准要求，表明该叶片的断裂与材质与冶金缺陷无关。

对断口的宏观和微观检查表明，故障叶片断裂性质为疲劳断裂，疲劳起源于叶身的叶背与缘板转接R处，源区呈多源、线性，起始区即可见到疲劳条带特征，表明故障叶片疲劳断裂起始应力大。

故障叶片所受大应力的来源有2种可能：

（1）叶片存在共振。该型机第4级转子叶片动应力测量结果表明叶片动强度储备满足要求；叶片共振频率下的振动疲劳模拟试验结果显示裂纹断口为单源疲劳，断口较细腻，扩展区未见疲劳弧线特征，源区呈类解理形貌，近源区未见疲劳条带，榫头工作面挤压痕迹轻微、未见明显的对角挤压特征，均与故障叶片断口特征不符；此外，超过百台发动机，大于上万小时使用时间，未发生由叶片共振引发的故障。因此可排除叶片由于共振产生裂纹或断裂。

（2）由于叶尖与机匣涂层严重碰摩，使叶片承受非正常冲击力。叶片与机匣每次碰摩，近似1个冲击过程，叶片与机匣接触阶段即发生碰摩，叶片的径向应力发生急剧变化。在极短时间内，叶尖、叶中和叶根的最大应力在叶片与机匣“接触-碰撞”后依次发生，叶片沿叶高方向受到1个径向冲击加载波的作用，叶身有明显的应力波传导，叶尖的碰摩瞬时应力最大，叶根的平均应力水平最大，影响叶片叶身应力的瞬时分布和变化规律[15]。此外，从叶片型面复查结果可知（内容从略），故障叶片型面位置度由叶盆向叶背偏移超差0.271 mm，造成故障叶片径向变形量增加约0.12 mm，使故障叶片成为本级叶片中最“长”叶片，导致该叶片碰摩更严重、碰摩力更大，榫头工作面对角挤压严重，机匣涂层大面积脱落，使故障叶片在旋转过程中，在涂层掉块严重的部位受到较大的碰摩冲击力，是导致叶片根部损伤、萌生裂纹的主要原因。

构件的形状和材料性质急剧改变处（一般在构件的台阶、转角、沟槽以及材料缺陷等附近），会产生局部高应力（σmax）应力集中，且缺陷或转角等形状愈尖锐，材料的强度愈高，应力集中系数也就愈大[16]。本故障叶片萌生疲劳裂纹的位置恰是叶背与缘板转接R处（规定值1.7+0.5），该处表面存在明显的多条平直机械加工刀痕，疲劳源处刀痕深入基体约4.4μm，大于设计表面粗糙度Ra=0.8μm的要求，破坏了叶片表面完整性，提高了源区应力水平，加之GH4169合金具有一定的缺口敏感性[17]，在周期冲击应力作用下促使故障叶片过早诱发疲劳裂纹萌生；但除故障叶片外，该级有多片叶片叶背与缘板转接R处加工痕迹明显，且复查表面粗糙度Ra也超出设计要求，但这些叶片并未出现裂纹，说明故障叶片的原始加工刀痕对疲劳裂纹的萌生仅起促进作用，并不是主要原因。

从对故障级叶片加工工艺复查可知，叶片后期机加工艺依次是抛光、喷丸和振动光饰。通常喷丸强化过程是使用压缩空气将大量的弹丸喷射到工件的表面上，在工件表面积累大量压应力，表层组织在弹丸的大力打击下会发生动态再结晶，表层组织细化，叶片表面粗糙度值会略有提高，对于较浅的加工刀痕有一定的去除作用；振动光饰是通过磨料和零件的相对运动，产生微量的磨削加工作用，去除零件表面的尖边和微小凸起，促使零件表面粗糙度值降低。经过喷丸+振动光饰的叶片表面产生了残余压应力，在交变应力下裂纹萌生和扩展的势垒提高，抗疲劳破坏的能力增强，一般喷丸效果好的叶片疲劳裂纹萌生于叶片的亚表面，而故障叶片疲劳裂纹并未萌生于该处，且叶片喷丸工艺试片表面检查显示喷丸覆盖率远低于100%，进一步说明叶片喷丸质量差对裂纹的萌生起促进作用。

3 结束语

（1）故障叶片断裂为疲劳性质，且与材质和冶金缺陷无关；

（2）故障叶片叶尖与机匣涂层严重碰摩，使叶片承受非正常冲击力是叶片疲劳断裂的主要原因；

（3）叶片原始加工刀痕和喷丸质量差对疲劳裂纹萌生起促进作用；

（4）建议提高叶片加工质量，按照精品工程工艺加工，控制合理的叶片与机匣涂层之间的间隙，避免产生非正常碰摩。