Page 66 - 理化检验-物理分册2021年第十期
P. 66

詹 平, 等: TC6钛合金压气机叶片裂纹产生原因

            1.5 硬度测试                                           生严重刮擦。
                 采用 VH3100 型维氏显微硬度计分别在叶尖                           分析认为, 发动机复装后叶尖径向间隙不满足
            端面组织变化区域和正常组织处进行显微维氏硬度                             设计要求, 在试车过程中叶尖与机匣涂层发生严重
            测试。结果表明, 叶尖端面组织变化区域的硬度                             刮擦, 导致局部超温、 掉块, 叶尖表面完整性被破坏,

            ( 413HV0.1 ) 略高于基体组织的( 380HV0.1 )。                 涂层材料发生熔融并黏附在叶尖上, 疲劳寿命大幅
                                                               降低, 形成多处疲劳裂纹源, 并逐步扩展形成裂纹。
            2 分析与讨论
                                                              3 结论及建议
                 两条裂纹均沿叶身纵向呈直线状扩展, 裂纹形貌

            类似。相关资料表明 , 钛合金在300℃左右时表面                              叶片上的裂纹为试车过程中产生的疲劳裂纹。
                               [ 8 ]
            氧化色为淡黄色, 400℃时为金黄色, 500℃时为蓝                        发动机试车拆解复装后的叶尖径向间隙不满足设计



            色, 600℃时为紫色, 700~800℃时为红灰色, 800~                   要求而发生刮擦是产生疲劳裂纹的主要原因。
            900℃时为灰色。根据裂纹和断口形貌, 叶片在工作                              建议通过车磨叶尖、 严格控制叶尖径向间隙等


                                                    [ 9 ]
            过程中存在局部超温, 最高温度在900℃左右 。                           方法, 使叶尖径向间隙符合设计要求。
                 叶尖端面有明显的摩擦痕迹, 裂纹基本与摩擦                         参考文献:
            痕迹垂直, 且叶盆位置裂纹开口最大, 表明裂纹是由
            摩擦引起的且在叶盆位置起源。在靠近叶背部分,                              [ 1 ]  郭德伦, 韩野, 张媛. 航空发动机的发展对制造技术的
            出现掉块, 形成新的裂纹源并继续扩展, 导致裂纹扩                               需求[ J ] . 航空制造技术, 2015 ( 22 ): 68-72.
            展方向改变, 在断口上显示出两个裂纹源区。断口                             [ 2 ]  李毅, 赵永庆, 曾卫东, 等. 航空钛合金的应用及发展
            大面积为扩展区, 扩展区可见疲劳弧线, 叶尖端面附                               趋势[ J ] . 材料导报, 2020 , 34 ( 增刊1 ): 280-282.
                                                                [ 3 ]  张鹏省, 毛小南, 韩栋, 等. 航空航天用钛合金盘件开
            近为灰黑色, 向内逐步变为金黄色, 在叶尖位置摩擦
                                                                    发与应用[ J ] . 钛工业进展, 2011 , 28 ( 3 ): 6-8.
            形成过烧和局部掉块, 使叶片的疲劳性能大幅降低,
                                                                [ 4 ]  杨春燕. 影响压气机转子叶片精锻质量的主要工艺分
            形成疲劳裂纹       [ 10 ] 。
                                                                    析[ J ] . 价值工程, 2011 , 30 ( 33 ): 36-37.
                 与叶片配合的机匣基体材料为 TC2钛合金, 表                        [ 5 ]  CHUPPRE , HENDRICKSRC , LATTIMESB ,








            面为镍石墨封严涂层, 以提高发动机的气路封严效
                                                                    etal.Sealin g inturbomachine [ R ] .GlennResearch


            率, 属于低温可磨耗涂层, 工作温度在450℃以下,                              Center Cleveland , Ohio 44135 : NASA Centerfor

            超过此温度会发生熔融, 其主要成分为镍元素和碳                                 Aeros p aceInformation , 2006.
            元素   [ 11 ] , 所有材料均满足技术要求, 结合能谱分析                   [ 6 ]  刘丽玉, 张银东, 高翔宇, 等.TC17钛合金压气机鼓筒
            结果可以判断断口上的灰色层状附着物为叶尖端面                                  篦齿裂纹分析研究[ J ] . 失效分析与预防, 2019 , 14
            与机匣涂层摩擦超温后涂层发生熔融, 在叶片表面                                 ( 5 ): 315-320.
                                                                [ 7 ]  孙智君, 刘荣, 刘国良. 压气机转子叶片掉块断裂分析
            反应形成的混合产物, 白色块状附着物为脱落的涂
                                                                    [ J ] . 理化检验( 物理分册), 2016 , 52 ( 12 ): 878-883.
            层堆积物, 因碳元素在高温下氧化, 所以基本为镍
                                                                [ 8 ]  李旭升, 辛社伟, 毛小南, 等. 钛合金氧化行为研究进
            元素。
                                                                    展[ J ] . 钛工业进展, 2014 , 31 ( 3 ): 7-13.
                 高压压气机转子在高压涡轮轴的带动下高速转                           [ 9 ]  杨胜, 李莹, 何玉怀, 等.TA15 钦合金管材开裂失效

            动, 其工作温度约300℃ , 叶片受离心载荷、 气动载                            分析[ J ] . 热加工工艺, 2010 , 39 ( 12 ): 196-198.
            荷、 振动载荷等作用, 在工作过程中会产生一定的热                           [ 10 ]  杨慎亮, 李勋, 王子铭, 等.TC4侧铣表面完整性对试
            膨胀变形, 会与机匣上的封严涂层进行摩擦, 发生轻                               件疲劳性能的影响[ J ] . 表面技术, 2019 , 48 ( 11 ): 372-
            微磨损属正常现象         [ 12 ] 。查阅相关记录, 发动机初始                  380.
                                                                [ 11 ]  杨晓剑, 田晔, 黄新春, 等. 火焰喷涂镍 / 石墨可磨耗
            装配 时 其 叶 尖 间 隙 为 0.81 mm , 满 足 间 隙 要 求
                                                                    封严涂层的研究[ J ] . 有色金属( 冶炼部分), 2008 ( 增


            ( 0.70~0.84mm ), 在累积试车 1380h 后, 发动机

                                                                    刊): 92-94.
            运转正常, 叶尖与零件已经充分磨合, 但发动机需进
                                                                [ 12 ]  张俊红, 王杰, 鲁鑫, 等. 考虑封严涂层的航空发动机

            行拆机检查并复装, 复装后叶尖间隙为0.64mm , 不
                                                                    叶片碰摩过程[ J ] . 浙江大学学报( 工学版), 2018 , 52
            满足设计要求, 导致再次试车时叶尖与机匣涂层发
                                                                    ( 5 ): 980-987.
             4 6
   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70   71