某型渦噴發動機工作葉片故障分析

據統計，近年來某型發動機所發生的重大故障中，轉動件的失效高達80%以上，其中，葉片故障佔有相當大的比率，振動故障率占發動機中總故障率的60%以上，而葉片故障又占振動故障的70%以上。

葉片的故障和故障模式隨不同的工作環境影響有所不同。常見的故障現象有：外物損傷、強度不足和高低周疲勞損傷。其中以疲勞損傷為多。

工作葉片故障統計分析

據不完全的統計，在外場和發動機返廠大修中，共發現壓氣機鋁葉片斷裂故障７９台次，約佔該型發動機總生產量的１３％。統計結果（表１～４）表明，所有使用該型發動機的單位都發生過鋁葉片斷裂，而且工作壽命從不足１００小時到１２００小時以上，甚至有兩台發動機在未發外場使用前便已發現葉片有裂紋。葉片斷裂主要集中在四至六級和少量一級工作葉片上，四至六級多在葉根斷裂，一級多在葉尖部位斷裂，主要由外物撞擊造成。

通過以上統計數據可知四、五、六級葉片被打傷的情況很少，其失效大部分是由振動和應力腐蝕造成的，它們所處的位置靠近放氣帶，且五、六級之間有引氣口是重要原因。

故障原因分析

1.鍛造工藝不良引起的葉片斷裂

壓氣機鋁葉片鍛件是用ＬＹ２鋁合金棒料模鍛而成，在生產正常的情況下，葉片鍛件應具有沿長度方向和側向均勻分布的金屬流線。但是20世紀80年代初，曾一度發現有相當數量的鋁葉片在葉根排氣邊附近金屬流線很不均勻或完全折斷，甚至在流線折斷處存在裂紋。原因主要有鍛模不合格、不配套、潤滑不良和模鍛變形量太大。當時經調查發現，葉片鍛造過程中葉片鍛件裂紋率達13%。

2.振動和疲勞引起的葉片斷裂

振動是壓氣機鋁葉片斷裂的主要原因之一。葉片工作時受到來自發動機的激振力，當激振力與葉片的固有頻率相等時，葉片就會發生共振，此時，葉片承受的交變應力幅值可能超過材料的疲勞極限而導致疲勞斷裂。

使葉片產生強迫振動的激振源是壓氣機通道內前面一級葉片出口的不均勻尾跡氣流沿周向周期性變化的壓力場和速度場。

該型發動機四級葉片曾發生共振疲勞斷裂，其裂紋走向與其4926Hz共振振型的節線很接近。該發在故障前曾在轉速為3700~3900r/min狀態下工作達96h，此時四級葉片所承受的激振頻率為4933~5200Hz。

該壓氣機工作葉片的一階扭轉自振頻率均值為4926Hz，離差為44.5Hz，激振頻率均值為5066.5Hz，離差為44.5Hz。應用振動可靠性評估方法，得其避開共振的可靠度為0.94。可見該葉片存在較為嚴重的振動問題，與實際相符。

葉片的疲勞斷裂失效主要是為離心力疊加彎曲應力引起的疲勞斷裂、由振動環境引起的顫振、扭轉共振、彎曲振動疲勞斷裂以及由環境介質及接觸狀態引起的高溫疲勞、微動疲勞和腐蝕損傷導致的疲勞斷裂。葉片實際的疲勞斷裂往往並非上述某一模式，而是兩種甚至兩種以上模式的疊加，導致疲勞斷裂失效。

3.環境腐蝕引起的斷裂

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該型發動機零部件的失效，大多數情況下與環境腐蝕有關，腐蝕的主要損傷形式有點腐蝕、應力腐蝕、晶間腐蝕、剝蝕和高溫腐蝕等。

（1）鋁葉片的點蝕

鋁合金點蝕的開始是表面產生局部陽極，呈黑色，由於腐蝕產物的水解作用使腐蝕坑底保持pH值，加快了起保護作用的氧化膜溶解。故點蝕是一種自催化過程。

斷裂葉片表面呈黑灰色，葉盆、葉背表面有明顯的腐蝕坑和條痕。進氣邊緣有氣流沖刷和腐蝕斑痕。葉片全貌如圖1。斷口也呈黑灰色，表面有積碳。斷口約佔葉寬的1/2，位於葉身高度的1/4處，即二階彎曲振動的節線附近。裂紋起源於排氣邊葉盆面，擴展區斷口平坦，有疲勞條帶。源區有腐蝕特徵，腐蝕產物上有泥紋花樣，源區附近葉盆表面有點狀腐蝕坑，裂紋就起源於一個較大的腐蝕坑。源區未發現材料冶金缺陷。仔細觀察斷裂葉片，表面有明顯的橫向加工條痕，表面光潔度偏低，容易積碳和滯留大氣中沉積物，從而導致腐蝕損傷。

（2）鋁葉片的晶間腐蝕

晶間腐蝕損傷是腐蝕沿晶界進行而引起晶界開裂。葉片出現晶間腐蝕損傷主要是由於材料的晶界出現鉻貧化，雜質元素偏析在晶界上或晶粒變形拉長過程中，晶界受損引起電化學性質的不均勻性，使晶界成為陽極區，在腐蝕介質作用下，晶界首先遭到腐蝕損傷。

遭受晶間腐蝕的葉片，表面出現沿晶剝落掉塊，不僅破壞葉型，而且使力學性能降低，極易導致疲勞斷裂失效，尤其在點蝕坑底部出現的沿晶開裂，對疲勞性能的影響最為明顯。

（3）鋁葉片的剝蝕

剝蝕是具有晶間腐蝕傾向的鋁合金，經模鍛加工，在一定腐蝕環境下發生的晶間腐蝕。腐蝕造成了晶粒間結合力的破壞，此外由於腐蝕產物的體積膨脹，被破壞了結合力的晶粒向上撬起。這樣，金屬被一層一層的腐蝕剝離，形成層狀剝落的外觀。鋁葉片剝蝕一般出現於葉身，其初期表現為鼓包。LY2cs鋁合金葉片，具有層狀晶體結構，在沿海濕熱高鹽分的大氣環境下，表現出明顯的剝蝕傾向。

該型發動機三、四、五級葉片位於放氣帶附近，發動機內部的熱量主要通過放氣帶的窗孔散發，由於與外界溫差大，易在放氣帶附近形成冷凝水，進而形成腐蝕介質；與此同時，燃燒室、尾噴管和渦輪內的殘留氣體也只能通過放氣帶窗孔排出，使燃氣中的殘留物積留於三級以後的葉片上，從而使葉片易形成電化學腐蝕；另一方面，此發動機常工作於溫度高、濕度大的惡劣環境當中，大氣中的鹽分及夾雜物難免通過放氣帶的窗孔進入發動機，以致造成葉片的剝蝕。

（4）鋁葉片的應力腐蝕

應力腐蝕是在拉應力、環境及材料的敏感性三者處在特定組合條件下出現的脆性斷裂，危害性最大。

由應力腐蝕引起的斷裂形式大多是沿晶脆斷，有時也會出現穿晶解理脆斷，或者沿晶與穿晶混合斷裂。因此，斷口的宏觀特徵表現為斷面平坦且與主應力垂直，無宏觀塑性變形，無剪切唇，斷麵灰暗，斷裂起源於表面，斷口上有腐蝕產物。

無論是壓氣機葉片或渦輪葉片，完全由應力腐蝕造成的斷裂是很少見的，大多是由於葉片的熱處理不當或與應力腐蝕敏感性元素接觸而造成的，而且應力腐蝕裂紋的深淺不一，一旦發現葉片出現應力腐蝕損傷，應將其報廢更換。

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4. 鋁葉片斷裂的其他原因

（1）外來物打傷

外來物一般來自吸入進氣道的沙粒或小零件，有時發動機內部其他零部件的脫落、斷裂掉塊進入氣流通道而打壞葉片。從調查數據看，約1/4的壓氣機葉片斷裂由外來物打傷所致。

打傷處的缺口應力集中效應或過度塑性變形產生的微裂紋導致了葉片的早期失效。

（2）材料內部的氧化膜

氧化膜是鋁合金的一種冶煉缺陷。它是在原材料的冶煉燒鑄過程中，鋁合金溶液表面的氧化膜被捲入金屬內部而形成的。當這種缺陷很小時，有可能被漏檢而保留在成品葉片中，成為應力集中點。一般在金相顯微鏡下氧化膜兩邊夾雜毛髮狀氧化物。葉片身上一旦有外露的氧化膜，葉片必然會發生早期疲勞斷裂，所以應在質量監控中加強防範。

（3）表面光潔度低或劃傷

由於葉片表面個別部位光潔度低，有肉眼可見的橫向加工痕迹或劃傷。當溝痕位置與葉片共振節線吻合時，在易於引起葉片發生早期疲勞斷裂，裂紋源位於表面溝痕上。有時有腐蝕特徵，這是表面陽極化膜的破裂使金屬基體暴露所致。

防止葉片斷裂及葉片延壽的主要措施

1.生產過程的質量控制

（1）重視葉片的設計

正確分析幾何形狀複雜的葉片的應力分布，防止造成局部應力過高，造成葉片的強度不足而失效。

避免葉片因共振而造成超載斷裂失效。

應避免葉片工作溫度範圍內所承受的主要載荷類型、大小與材料主要抗力指標不匹配而造成超載失效。

對鈦合金一類的壓氣機葉片，設計時應考慮其損傷容限，及加工缺陷對葉片抗力的影響，提高其抗疲勞強度。

（2）加強原材料的質量監控

鍛制葉片的鋁合金棒料必須是定點生產廠家的產品，並嚴格進行原材料的入廠復驗。

（3）嚴格控制製造過程

注意模具的鑒定、試模及劃線檢查；保證潤滑劑的乾淨；嚴格監控熱處理爐溫均勻性和控制精度。

增加塗漆工藝，增強防腐能力。

提高葉片表面完整性，防止葉片發生早期失效。可利用噴丸強化和強化組織來提高葉片表面的完整性。

2.發動機的使用維護

（1）嚴格按照《使用維護說明書》的要求正確使用維護髮動機。不許發動機在3780～3920rpm轉速範圍內連續運轉，以免造成共振。

（2）保持停機坪和跑道的乾淨，嚴格管理工具和零件，防止雜物掉入機內打壞葉片。

（3）地勤人員要經常從進氣道和機匣上的觀察孔檢查鋁葉片是否有裂紋或嚴重腐蝕。一旦發現此類問題，發動機應立即停飛返廠排故。

（4）合理調配使用發動機，使每台發動機每年工作100h以上，尤其在高溫、高濕地區服役的發動機要避免長期停放，從而預防腐蝕失效。

（5）合理維護和使用對提高渦輪葉片的疲勞強度也具有重要意義。

嚴禁頻繁地起動和停車，因為在規定壽命內發動機起動次數越多，葉片材料抗疲勞性能降低就越多。盡量避免出現高頻的載荷波動，防止造成低周疲勞破壞和高低周複合疲勞破壞。

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3.延壽的工藝措施

（1）對在沿海地區服役的發動機LY2鋁合金葉片採用"過時效"處理，以降低鋁合金的晶間腐蝕敏感性。但卻降低材料強度。

（2）採用先進的AMS2470鉻酸陽極化工藝和陽極化後進行"蒸餾水+鉻酸填充"工藝，提高陽極化膜的抗蝕能力。

（3）葉片工作面上塗PL205漆。這種環氧有機硅漆，有良好的附著力、耐溫性，有獨特的耐氣流、風沙、塵土的沖刷性能,及耐溶劑性、耐酸鹼性的明顯優點。

（4）噴丸強化以提高鋁葉片疲勞壽命。由於高溫會使噴丸強化層的強化效果消失,這種工藝僅對前幾級工作溫度低的葉片有效。

結論

振動疲勞損傷在葉片故障中佔有很大比例，尤其是四、五、六級葉片的振動疲勞損傷更為常見。為防止此類故障的發生，需要考慮多方面的因素。設計是一個基礎，同時要注意製造過程，以使葉片自振頻率的分散度更為集中；發動機使用的過程當中，葉片的自振頻率可能會發生變化，從而引起共振，因而要正確使用和維護髮動機；此外，要經常對發動機進行檢查，及早發現問題。

在海航發動機中葉片的腐蝕損傷越來越多，主要是由沿海的特殊環境引起的。為預防此類故障，要重視葉片製造中的熱處理過程，以及對葉片進行防腐處理，經常進行針對腐蝕方面的檢查。

強度不足造成的損傷很少，但由於發動機費用及性能的影響，現在的發動機設計裕度較以前更小，加之工作環境的影響，對葉片的強度不足失效也是要加以重視的。