離心葉輪掉塊分析研究先考慮疲勞失效

1序言在工程機(jī)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備中，疲勞失效的現(xiàn)象極為廣泛。機(jī)械零件的破壞有50%～90%為疲勞破壞。航空發(fā)動(dòng)機(jī)離心葉輪受氣動(dòng)和高速轉(zhuǎn)動(dòng)離心力等工作環(huán)境的影響產(chǎn)生疲勞裂紋的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，裂紋擴(kuò)展掉塊會(huì)打傷其他工作部件，甚至引發(fā)嚴(yán)重事故。因此研究離心葉輪疲勞失效尤為重要。在對(duì)影響離心葉輪疲勞失效的多種因素研究中，多數(shù)情況下關(guān)注零件材質(zhì)冶金缺陷、加工工藝、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等，往往忽略環(huán)境因素的影響。因此，研究影響離心葉輪疲勞失效的因素對(duì)預(yù)防葉輪失效有重要的工程意義。某型發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)使用過(guò)程中檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)異常，分解發(fā)動(dòng)機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)離心葉輪輪轂位置出現(xiàn)掉塊。截止故障發(fā)生時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)工作時(shí)間為972h53min。離心葉輪材料為2Cr13不銹鋼，硬度要求28~35HRC。本文對(duì)離心葉輪斷裂部位進(jìn)行了宏微觀分析，得出了斷裂性質(zhì)，確定了葉輪的斷裂原因。2實(shí)驗(yàn)過(guò)程2.1離心葉輪外觀檢查此型機(jī)離心葉輪為導(dǎo)風(fēng)輪及離心葉輪粘接結(jié)構(gòu)，整個(gè)葉輪上共有16片葉片，葉輪在某兩葉片間的輪轂部位發(fā)生掉塊，掉塊一側(cè)連續(xù)數(shù)片葉片在導(dǎo)風(fēng)邊部位存在明顯刮傷痕跡，如圖1所示。在掉塊相鄰的連續(xù)兩個(gè)葉片葉背側(cè)葉根附近各存在一條徑向裂紋，如圖2所示。裂紋擴(kuò)展路徑和掉塊斷口徑向擴(kuò)展段相似，且在裂紋末端也出現(xiàn)往周向擴(kuò)展的弧形拐彎。在圖1、圖2中還可看到，葉輪前端面表面存在較密集的黑點(diǎn)甚至麻坑，而后端面較光亮，為正常的機(jī)加工表面。

a）刮傷處

b）輪轂前端面掉塊處圖1離心葉輪損傷形貌

圖2

輪轂掉塊及相鄰的裂紋位置宏觀形貌2.2離心葉輪掉塊斷口觀察按掉塊擴(kuò)展路徑，將斷口大致分為三段：第一段為沿葉片葉根徑向擴(kuò)展的徑向斷面1，擴(kuò)展長(zhǎng)約17mm，為裂紋擴(kuò)展前中期；第二段為周向擴(kuò)展的周向斷面，為裂紋擴(kuò)展中后期，另一側(cè)的徑向斷面2為瞬斷區(qū)，可看到收集到的掉塊殘片與掉塊缺口基本匹配，除打彎及磨損外未出現(xiàn)明顯的缺失，如圖3所示。圖3掉塊斷口擴(kuò)展走向從斷口斷面上觀察，徑向斷面1呈現(xiàn)兩個(gè)弧形擴(kuò)展臺(tái)階面，兩個(gè)臺(tái)階面平坦，僅見(jiàn)個(gè)別大弧線，兩個(gè)臺(tái)階面的疲勞分別起源于距外緣約3.5mm和13.6mm的輪轂前端面兩處位置，沿厚度方向往后端面擴(kuò)展，如圖4所示。圖4掉塊斷口宏觀形貌其中源1區(qū)域可見(jiàn)數(shù)個(gè)小點(diǎn)源，疲勞點(diǎn)源處均可見(jiàn)深約50μm的腐蝕坑，如圖5所示。a）源1低倍

b）源1某點(diǎn)源高倍

c）源2高倍圖5

源區(qū)特征擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)細(xì)密的疲勞條帶，如圖6所示，瞬斷區(qū)為典型的韌窩形貌，如圖7所示。圖6

弧線間的疲勞條帶

圖7

瞬斷區(qū)韌窩形貌2.3裂紋斷口觀察

1#裂紋打開(kāi)后整個(gè)裂紋斷口上均可見(jiàn)清晰的大小弧線，疲勞起源于距外緣16.8mm處的輪轂前端面，2#裂紋打開(kāi)斷口與掉塊斷口徑向斷面特征相似，斷面平坦，弧線特征不如1#裂紋斷口明顯，明顯的一處的源區(qū)位置位于距外緣約3.5mm處的輪轂前端表面，如圖8所示。

a）1#裂紋斷口宏觀形貌

b）2#裂紋斷口宏觀形貌圖8

裂紋斷口宏觀形貌源區(qū)可見(jiàn)數(shù)個(gè)點(diǎn)源，均有腐蝕特征，如圖9、圖10所示。

a）1#裂紋源區(qū)低倍特征

b）1#裂紋源區(qū)高倍特征圖91#裂紋源區(qū)特征

a）2#裂紋源區(qū)低倍特征

b）2#裂紋源區(qū)紅色方框內(nèi)高倍特征圖102#裂紋源區(qū)特征1#裂紋和2#裂紋斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶寬度與掉塊斷口相當(dāng)，如圖11所示。圖11裂紋斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)條帶2.4離心葉輪表面腐蝕形貌觀察離心葉輪掉塊和裂紋斷口源區(qū)均可見(jiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象，如圖12所示。

a）1#裂紋位置

b）2#裂紋位置圖12葉輪輪轂前端面上的麻點(diǎn)掃描電鏡下觀察，在葉輪輪轂前端面宏觀觀察到的明顯麻點(diǎn)處大多可見(jiàn)沿晶腐蝕坑，如圖13所示。而輪轂后端面則為原始的加工表面。圖13斷口附近輪轂前端面的腐蝕坑對(duì)斷口表面的腐蝕坑進(jìn)行能譜分析，腐蝕坑內(nèi)可檢測(cè)到較高的腐蝕介質(zhì)Cl-，如圖14所示，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。圖14腐蝕坑能譜檢測(cè)表1腐蝕坑能譜檢測(cè)結(jié)果2.5組織及硬度檢查

在2#裂紋斷口下方截取金相試樣（見(jiàn)圖15）進(jìn)行觀察。圖15金相試樣取樣圖示2#裂紋橫截面金相檢驗(yàn)，在輪轂前端面表面可見(jiàn)多處腐蝕黑斑，而后端面表面未見(jiàn)“黑斑”，如圖16所示。a）前端面表面腐蝕“黑斑”

b）后端面表面未見(jiàn)“黑斑”圖16前后端面表面腐蝕情況金相試樣腐蝕前后，均可見(jiàn)黑斑沿晶腐蝕現(xiàn)象，基體組織未見(jiàn)異常，如圖17所示。圖17“黑斑”形貌對(duì)2#裂紋附近及完好輪轂附近基體進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)，兩者硬度無(wú)明顯差異，且均符合技術(shù)條件要求，見(jiàn)表2。表2離心葉輪輪轂硬度檢查3試驗(yàn)與檢驗(yàn)分析離心葉輪輪轂掉塊與裂紋位置及擴(kuò)展路徑相似，掉塊和裂紋打開(kāi)斷口平坦，宏觀均可見(jiàn)疲勞弧線，微觀均可見(jiàn)細(xì)密的疲勞弧線，疲勞擴(kuò)展充分，掉塊和兩條裂紋同模失效，失效性質(zhì)為高周疲勞掉塊（裂紋）。離心葉輪掉塊和裂紋均起源于靠近葉片葉根的輪轂前端面，失效位置組織及硬度未見(jiàn)異常，源區(qū)未見(jiàn)冶金缺陷，掉塊和開(kāi)裂的原因與材質(zhì)無(wú)關(guān)。零件發(fā)生高周疲勞失效往往與振動(dòng)有關(guān)，掉塊和裂紋位于連續(xù)的4個(gè)葉片間的輪轂處，位置集中，從分布上看具有節(jié)徑型共振的特點(diǎn)。此外，掉塊和裂紋呈現(xiàn)多個(gè)點(diǎn)源特征，且每個(gè)源區(qū)均可見(jiàn)不同程度的腐蝕現(xiàn)象，說(shuō)明源區(qū)腐蝕對(duì)裂紋的萌生具有明顯的促進(jìn)作用。源區(qū)檢測(cè)出較多的Cl元素，該型發(fā)動(dòng)機(jī)是在遠(yuǎn)海服役，葉輪輪轂前端面的腐蝕元素Cl應(yīng)是來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)的服役環(huán)境。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)離心葉輪輪轂掉塊和裂紋的產(chǎn)生原因是輪轂表面存在嚴(yán)重的腐蝕，在振動(dòng)應(yīng)力下產(chǎn)生裂紋及掉塊。2Cr13為馬氏體型不銹鋼，雖然該型不銹鋼在大氣環(huán)境中具有較好的耐蝕性，但在含氯離子溶液中，2Cr13鋼表面的鈍化膜容易溶解，氯離子對(duì)金屬材料的腐蝕有兩個(gè)方面的作用：一是氯離子破壞金屬的鈍化膜，使材料發(fā)生點(diǎn)蝕；二是氯離子直接參與金屬材料的陽(yáng)極溶解過(guò)程，導(dǎo)致基體產(chǎn)生腐蝕。為了提高離心葉輪的防腐性能，防止再出現(xiàn)類似問(wèn)題，對(duì)葉輪輪轂部位進(jìn)行涂漆保護(hù)。后續(xù)交付的發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)服役過(guò)