離心葉輪掉塊分析研究

　　摘要：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。通過(guò)對(duì)斷裂葉輪斷口宏觀、微觀分析，金相組織、硬度檢查，分析認(rèn)為離心葉輪的斷裂性質(zhì)為高周疲勞，疲勞斷裂的原因是在發(fā)動(dòng)機(jī)服役環(huán)境下離心葉輪輪轂前端面產(chǎn)生腐蝕，在振動(dòng)應(yīng)力下開裂掉塊。對(duì)離心葉輪輪轂位置采取涂漆保護(hù)措施后，未再發(fā)生此類故障。

　　劉昌標(biāo); 趙小全; 劉麗玉; 吉曉樂， 金屬加工(熱加工) 發(fā)表時(shí)間：2021-09-29

　　關(guān)鍵詞：離心葉輪;斷口;疲勞斷裂;振動(dòng);腐蝕

　　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[1]。機(jī)械零件的破壞有50%～90%為疲勞破壞[2]。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 試驗(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。

　　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。

　　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。其中源1區(qū)域可見數(shù)個(gè)小點(diǎn)源，疲勞點(diǎn)源處均可見深約50μm的腐蝕坑，如圖5 所示。擴(kuò)展區(qū)可見細(xì)密的疲勞條帶，如圖6所示，瞬斷區(qū)為典型的韌窩形貌[3]，如圖7所示。

　　2.3 裂紋斷口觀察

　　1# 裂紋打開后整個(gè)裂紋斷口上均可見清晰的大小弧線，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。源區(qū)可見數(shù)個(gè)點(diǎn)源，均有腐蝕特征，如圖9、圖10所示。

　　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。

　　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)均可見明顯腐蝕現(xiàn)象，如圖12所示。

　　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。

　　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)果見表1。

　　2.5 組織及硬度檢查

　　在2# 裂紋斷口下方截取金相試樣(見圖15)進(jìn)行觀察。

　　2# 裂紋橫截面金相檢驗(yàn)，在輪轂前端面表面可見多處腐蝕黑斑，而后端面表面未見“黑斑”，如圖16所示。金相試樣腐蝕前后，均可見黑斑沿晶腐蝕現(xiàn)象，基體組織未見異常，如圖17所示。

　　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，見表2。

　　3 分析與討論

　　離心葉輪輪轂掉塊與裂紋位置及擴(kuò)展路徑相似，掉塊和裂紋打開斷口平坦，宏觀均可見疲勞弧線，微觀均可見細(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)[4]。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異常，源區(qū)未見冶金缺陷，掉塊和開裂的原因與材質(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[5]，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[6]，氯離子對(duì)金屬材料的腐蝕有兩個(gè)方面的作用[7，8]：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)程中未再出現(xiàn)此類問題。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　1)發(fā)動(dòng)機(jī)離心葉輪斷裂性質(zhì)為高周疲勞，掉塊及裂紋均起源于葉輪輪轂表面的腐蝕坑，呈多個(gè)點(diǎn)源特征。

　　2)發(fā)動(dòng)機(jī)離心葉輪輪轂掉塊和裂紋的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)生疲勞裂紋及掉塊。

　　3)對(duì)輪轂部位采取涂漆保護(hù)措施后，未再發(fā)生此類故障。