发动机一级静子内环挡块断裂失效分析.pdf

1-2俯视图图 1故障一级静子内环挡块宏观图像发动机一级静子内环挡块断裂失效分析高昊（大连锅炉压力容器检验检测研究院有限公司，辽宁大连116016）摘要：对某型航空发动机故障一级静子内环挡块进行外观检查、断口分析、表面微观检查和材质分析，并对其进行应力分布计算，确定了故障一级静子内环挡块断口性质为高周疲劳，明确了挡块矩形凸块与细端的转接部位上表面前视侧的倒角处存在机械加工痕迹造成的应力集中，是导致内环挡块过早产生疲劳裂纹、发生断裂故障的主要原因，并提出了相应的改进建议。关键词：航空发动机；内环挡块；高周疲劳；TC4；机加痕迹；应力集中中图分类号：TG166.5文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）09-0032-030引言随着航空工业的飞速发展，提高飞机的机动性能和燃油效率成为了一个重要课题，因此对飞机和航空发动机结构减重提出了更为迫切的要求。钛合金因密度小、比强度高、具有较好的耐腐蚀及耐高温性能而在航空发动机上获得了广泛的应用1-3。TC4 钛合金是综合性能优良的 琢+茁 型钛合金，随着减重需求越来越强烈，TC4 钛合金除了用于制作叶片等核心部件外，也大量应用在小型结构件和标准件上。在某型航空发动机的工作过程中发现，风扇静子内环处一件一级静子内环挡块断裂，该挡块材料为TC4 钛合金，由锻件采用电火花工艺加工成型，但为了避免因电火花加工过程中产生的重熔层影响零件表面质量，须采用抛修的方式去除重熔层。本研究对一级静子内环挡块故障件进行了宏观检查、断口分析、零部件表面检查、组织检查和成分分析，并对一级静子内环挡块进行了静应力分布计算，确定了故障一级静子内环挡块的断裂性质，并分析断裂故障发生的原因，最后提出改进建议，为解决此类故障提供一定的参考依据。1失效分析故障一级静子内环挡块宏观图像如图 1 所示，其结构为带矩形凸块的小扇形块，断裂处位于挡块矩形凸块与细端的转接部位。故障挡块断口宏观图像如图 2 所示，断口表面较平坦，呈灰褐色，可见明显的疲劳弧线和放射棱线特征，初步判定断裂性质为疲劳。根据疲劳弧线的扩展方向和放射棱线汇聚方向判断，疲劳起源于挡块上表面前视侧的倒角处，如图 2 箭头所指，宏观位置如图1-2 箭头所示。使用扫描电子显微镜中对故障挡块断口形貌进行放大观察，故障挡块断口的低倍形貌如图 3 所示，断口表面可见清晰的放射棱线形貌。断口疲劳起源于挡块上表面前视侧的倒角处，如图 3-2 箭头所指处。疲劳源区存在较重的磨损痕迹，未见明显的冶金缺陷。故障挡块断口疲劳扩展区微观形貌如图 4 所示，可见清晰细密的疲劳条带形貌特征4，进一步表明故障挡块断口为高周疲劳断口；断口未见明显瞬断形貌特征区，疲劳裂纹扩展比较充分，表明裂纹扩展过程中挡块承受载荷较小。对故障挡块断口疲劳源区侧表面进行放大观察，可见较重的机械加工痕迹，如图 5 所示，并且加工痕迹的走向与断裂表面基本平行。收稿日期：2023-04-12作者简介：高昊（1988），男，辽宁锦州人，毕业于大连交通大学材料加工工程专业，工学硕士，主要从事设备检验检测工作，研究方向为材料应用及失效分析。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.0131-1正视图图 2故障挡块断口宏观形貌后视方向前视方向试（实）验研究2023 年第 9 期表 1故障挡块能谱分析结果图 4断口疲劳扩展区微观形貌图 5断口源区侧表面形貌对故障挡块进行能谱半定量分析，结果如表 1 所示。断口表面存在一定程度的氧化，故障挡块基体各元素含量基本符合标准要求5。在故障挡块断口附近取样进行金相组织检查，形貌如图 6 所示，为双态组织，未见明显异常。2分析与讨论由断口分析的结果可知，发生断裂的一级静子内环挡块属于疲劳断裂失效；断口表面平缓，疲劳扩展充分，并且通过微观检查，在扩展区可见清晰、细密的疲劳条带，说明发生故障的一级静子内环挡块主要为发动机振动载荷导致的高周疲劳断裂。疲劳首先起源于挡块矩形凸块与细端的转接部位上表面前视侧的倒角处，呈单源特征，源区可见明显的磨损痕迹，扩展区的疲劳弧线呈周期性分布特征，说明一级静子内环挡块的断裂主要原因为工作过程中承受了来自发动机的振动载荷；断口扩展充分，未见明显的瞬断区，表明振动载荷不大6。失效分析结果表明，断口源区未见明显的冶金缺陷特征；成分和组织检查结果表明，挡块的材质符合相关标准要求，且组织未见异常。这说明故障挡块发生疲劳断裂应与冶金缺陷及材质问题无关。经断口低倍观察发现的疲劳弧线呈周期性分布，这是裂纹萌生后在发动机启动停车循环过程中产生的一种痕迹，即低频率载荷谱作用留下的痕迹，该载荷谱对应挡块上的应力为稳态应力 滓m；而在扫描电镜下观察发现的疲劳条带痕迹是一种疲劳扩展过程中形成的变形迹线，这是高频交变载荷作用留下的痕迹，它所对应的则是作用在挡块上的振动载荷 滓a。由于挡块为机械疲劳断裂失效，根据古德曼定则：n=1kf滓a滓-1+滓m滓0.2.（1）式中：n 为安全系数；kf为应力集中系数；滓-1和 滓0.2分别为材料在给定温度下的疲劳极限和屈服极限。由公式（1）可知，挡块断裂失效主要取决于 滓a、滓m、滓-1、滓0.2和 kf，而挡块的成分、组织均未见明显异常，即 滓-1和 滓0.2在该材料标准规定的范围内，滓m为稳态应力，kf与材料缺陷有关，断口源区未见明显的冶金缺陷7，但是断裂挡块疲劳源区侧表面的机加痕迹会导致 kf增大，故安全系数 n 同应力集中系数 kf和挡块受到的振动载荷 滓a有密切的关系8。经对一级静子内环挡块的应力分布计算可知，挡块矩形凸块与细端转接部位的上表面转接处应力最大，如图 7 所示，该部位与故障挡块断裂部位相吻合。TC4 钛合金对表面完整性十分敏感，而挡块在加工过程中，需要对电火花加工成型后残留的重熔层进行打磨去除，因此残留了机加痕迹，破坏了表面完整性，形成了较大的应力集中9-10，并且机加痕迹的方向与疲劳萌生位置相平行，因此会导致应力集中系数 kf增加，从而降低了转接处的抗疲劳强度。由静应力计算结果可知，在挡块工作状态下施加外部作用力后，转接区域所受的应力载荷最大，导致挡块自身的塑性变形和损伤容易在该处累积，进而促使疲劳裂纹在挡块转接处萌生；并且在发动机工作过程中，发动机自身的振动载荷 滓a不可避免地会传导到挡块上，振动载荷的作用也是促使疲劳裂纹萌生和扩展的重要因素。因此，以上两个因素导致挡块安全系数 n 的下降，即使用可靠性大大降低。综上所述，一级静子内环挡块断裂故障是由于挡块矩形凸块与细端的转接处表面存在机加痕迹造成3-1低倍形貌3-2高倍形貌图 3故障挡块断口形貌元素w（O）/%w（Al）/%w（Ti）/%w（V）/%断口表面11.703.1383.251.92基体4.3293.502.18标准要求0.25.56.8余量3.54.5图 6断口附近组织形貌200 滋m200 滋m2 滋m100 滋m20 滋m高昊：发动机一级静子内环挡块断裂失效分析33窑窑山西冶金E-mail:第 46 卷Detection of Residual Stress on Shot Peening Surface of GH4169 Die Forged Valve Based onLaser UltrasoundZhang Xiaobin,Shang Sufang（Department of Equipment Engineering,Henan Polytechnic of Architecture,Zhengzhou Henan 450064,China）Abstract:As a new ultrasonic testing technology，laser ultrasound has the advantages of non-damage，high precision and non-contactcharacteristics，widely used in the field of material characterization.The surface residual stress of GH4169 die forged valve was tested andanalyzed.The results show that the surface wave velocity is more than 2 949 m/s in both x and y directions，which is consistent with theresidual compressive stress generated by shot peening.The results are reliable by comparison.In the process of rotation，the die forgingvalve is easy to influence，the closer to the center of the residual stress stability is stronger，far away from the situation is extremely easy tooccur at the edge.Compared with the measured results of XDR，the test parameters are smaller，consistent with the test results in thispaper.This technology can be extended to other material surface detection fields and has a high market application value.Key words:GH4169 alloy;laser ultrasound;surface residual stress;detection图 7一级静子内环挡块应力（MPa）分布图应力集中，致使基体抗疲劳性能下降，并且受到发动机振动载荷等因素的共同作用导致的。3结论与建议1）一级静子内环挡块断裂性质为高周疲劳断裂，疲劳起始于挡块矩形凸块与细端的转接部位上表面的倒角处，呈单源特征。2）矩形凸块与细端的转接部位上表面前视侧的倒角处存在的机加痕迹造成的应力集中，是导致内环挡块过早萌生疲劳裂纹的主要原因。3）内环挡块受到的振动载荷对疲劳裂纹的萌生和扩展有促进作用。4）建议在成型加工时提高表面粗糙度的要求，在凸块与细端的转接部位上表面不允许有机加痕迹残留，可有效避免类似故障的再次发生。参考文献1Anon.Titanium alloys for aerospaceJ.Advanced Materials andProcess，1999（3）：9.2刘博志，佟文伟，邱丰.发动机风扇转子叶片叶身裂纹失效分析J.失效分析与预防，2016，11（1）：60-64.3张秋平.钛合金结构件加工新工艺J.飞航导弹，2010（1）：86-90.4张栋，钟培道，陶春虎，等.失效分析M.北京：国防工业出版社，2004：131-143.5工程材料实用手册编辑委员会.工程材料实用手册M.北京：中国标准出版社，2001：104-105.6袁新泉，钱友荣，田永江.航空机械失效案例选编M.北京：科学出版社，1988：112-129.7刘新灵，周家盛，钟培道.某发动机 III 级涡轮叶片断裂失效分析J.机械工程材料，2005，29（8）：67-70.8李洋，佟文伟，韩振宇，等.发动机引气管卡箍断裂原因分析J.失效分析与预防，2013，8（3）：167-172.9张栋.机械失效的实用分析M.北京：国防工业出版社，1997：143-144.10高玉魁.不同表面改性强化处理对 TC4 钛合金表面完整性及疲劳性能的影响J.金属学报，2016，52（8）：915-922.（编辑：武倩倩）Fracture Analysis of Aero-engine Primary Stator Inner Ring BaffleGao Hao（Dalian Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute Co.,Ltd.,Dalian Liaoning 116016,China）Abstract:Through visual inspection,fracture analysis,surface microscopic inspection,and material analysis of the faulty first stage statorinner ring stop of a certain type of aircraft engine,and stress distribution calculation,it was determined that the fracture property of the faultyfirst stage stator inner ring stop was high cycle fatigue.It was clarified that there were mechanical processing marks at the chamfer on thefront view side of the surface at the junction between the rectangular convex block and the fine end of the stop,resulting in stressconcentration.It is the main cause of premature fatigue cracks and fracture failure of the inner ring stopper,and corresponding improvementsuggestions are proposed.Key words:aero-engine;inner ring baffle;high-cycle fatigue;TC4;machining marks;stress concentration（上接第 11 页）34窑窑