(2.61)-葉片過載斷裂-短時超溫致葉片伸長強(qiáng)度下降產(chǎn)生嚴(yán)重摩擦磨損

目錄一、案例背景二、失效分析

1.高壓二級渦輪葉片損傷特征觀察

1.1斷口宏觀觀察

1.2斷口微觀觀察1.3斷口金相觀察

2.高壓二級渦輪葉片的斷裂原因分析3.高壓二級渦輪葉片與外環(huán)嚴(yán)重摩擦的原因分析

三、總結(jié)發(fā)動機(jī)高壓二級渦輪葉片斷裂失效分析一、案例背景某型發(fā)動機(jī)外場使用時,因加力未接通而準(zhǔn)備進(jìn)行蒸發(fā)槽出口壓力測量。第一次地面開車時,試車員反映開車過程中T6溫度偏低等問題,遂決定15min后進(jìn)行第二次地面開車。地面再次開車檢查時,起動到慢車后,T6=540℃,轉(zhuǎn)速正常。試車員準(zhǔn)備關(guān)閉座艙蓋推油門時,忽然發(fā)現(xiàn)飛機(jī)主告警閃亮。檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)超溫?zé)袅?T6溫度由540℃急劇上升到900℃左右,尾噴口噴出大量金屬顆粒。拆卸檢查發(fā)現(xiàn)高壓二級渦輪葉片全部斷裂失效,且葉片的斷裂位置至葉根的距離基本都在葉身長度的1/3到2/3之間。該發(fā)動機(jī)外場累計工作151h。高壓二級渦輪葉片材料為MAR-M002(鎳基高溫合金，美標(biāo)),高壓二級渦輪外環(huán)材料為GH105（高溫合金鋼，國標(biāo)）。二、失效分析對葉片斷口特、高壓二級渦輪外環(huán)內(nèi)壁的損傷情況進(jìn)行了觀察,對葉片的顯微組織進(jìn)行了檢查,分析了斷裂性質(zhì)和形成原因。結(jié)果表明,高壓二級渦輪葉片的斷裂為過載斷裂,葉片的斷裂與材質(zhì)或加工無關(guān)。葉片的斷裂是由于葉片與渦輪外環(huán)發(fā)生了嚴(yán)重摩擦所致。導(dǎo)致葉片與外環(huán)發(fā)生嚴(yán)重摩擦的原因可能是葉片承受了短時超溫,導(dǎo)致葉片發(fā)生高溫伸長。同時,短時超溫導(dǎo)致的葉片高溫強(qiáng)度下降對斷裂也起到了一定的促進(jìn)作用。

1.1斷口宏觀觀察葉片斷口的宏觀特征基本相同,斷面均呈灰黑色,進(jìn)氣邊一側(cè)的斷面均與葉片軸線基本垂直,排氣邊一側(cè)均與葉片軸線約呈45度,整個斷面均較粗糙,且未見疲勞弧線。1.2斷口微觀觀察

葉片斷口進(jìn)氣邊及排氣邊一側(cè)的低倍形貌。1.2斷口微觀觀察斷面以韌窩斷裂特征為主。1.2斷口微觀觀察局部可見類解理斷裂形貌和疏松缺陷。1.3斷口金相觀察在斷口附近垂直葉身方向截取金相試樣,磨制拋光并腐蝕后在掃描電鏡下進(jìn)行觀察。葉片進(jìn)氣邊和排氣邊一側(cè)的金相組織分別見圖13和圖14,進(jìn)氣邊和排氣邊均可見丫相變圓長大,且均發(fā)生了不同程度的回溶。2.渦輪葉片斷裂原因分析葉片斷面上局部可見疏松缺陷,但未發(fā)現(xiàn)明顯的疏松超標(biāo),斷口顯微組織檢查也未發(fā)現(xiàn)大面積或尺寸較大的超標(biāo)疏松缺陷。另外,葉片斷裂若由于疏松超標(biāo)或其他材質(zhì)、加工缺陷所致,則在使用的151h過程中,應(yīng)在較為嚴(yán)重材質(zhì)或加工缺陷周圍有疲勞裂紋的萌生,且也不可能110片葉片幾乎同時發(fā)生過載斷裂。因此,葉片的斷裂與材質(zhì)或加工沒有直接關(guān)系。高壓二級渦輪外環(huán)內(nèi)壁均勻布滿一層磨屑,封嚴(yán)槽外存在溝痕,且溝痕內(nèi)壁存在多條摩擦痕跡,這些特征表明,高壓二級渦輪葉片與外環(huán)發(fā)生了嚴(yán)重的摩擦。高壓二級渦輪葉片全部斷裂,且斷裂位置距葉根基本都在1/3~2/3葉身之間,基本處于葉身的高溫區(qū)域,其原因應(yīng)是渦輪葉片與渦輪外環(huán)發(fā)生了整體摩擦所致,這一點可從高壓二級渦輪葉片與外環(huán)發(fā)生了嚴(yán)重的摩擦可以證實。3.渦輪葉片與外環(huán)嚴(yán)重摩擦的原因分析從顯微組織檢查結(jié)果可以看出,所分析的葉片斷口附近排氣邊和進(jìn)氣邊的丫相變圓長大,且均發(fā)生了不同程度的回溶,表明發(fā)動機(jī)在試車過程中存在超溫現(xiàn)象。超溫運轉(zhuǎn)可根據(jù)其嚴(yán)重程度分為過熱超溫和過燒超溫。過熱超溫時,葉片材料(合金)的組織狀態(tài)表現(xiàn)為丫相聚集長大和回溶;過燒超溫時,葉片材料(合金)的組織狀態(tài)表現(xiàn)為Y+Y`共晶組織和晶界出現(xiàn)初熔。因此,高壓二級渦輪葉片的超溫屬于過熱超溫,且由于斷口附近的晶粒并未見明顯伸長,表明葉片超溫存在的時間應(yīng)較短。3.渦輪葉片與外環(huán)嚴(yán)重摩擦的原因分析高壓二級渦輪葉片與外環(huán)發(fā)生嚴(yán)重摩擦,可能的原因有以下兩個方面:(l)葉片在斷裂前經(jīng)歷了短時超溫,葉身有一定的高溫伸長,減小了葉冠與渦輪外環(huán)的間隙,從而使葉片與渦輪外環(huán)發(fā)生嚴(yán)重的摩擦。(2)短時的溫度變化導(dǎo)致渦輪外環(huán)可能發(fā)生了一定的變形。從渦輪外環(huán)的摩擦痕跡可知,葉冠上的封嚴(yán)齒本應(yīng)在渦輪外環(huán)上的封嚴(yán)槽中與渦輪外環(huán)有一定的摩擦,但實際的嚴(yán)重摩擦痕跡卻在渦輪外環(huán)上有一定的后移,這也可能與短時超溫或其它偶然因素導(dǎo)致渦輪外環(huán)存在一定的變形有關(guān)。三、結(jié)論(l)高壓二級渦輪葉片的斷裂為過載斷裂,葉片的斷裂與材質(zhì)或加工無關(guān)