宋國明

(海軍裝備部，西安710021)

0 引言

鈦合金是重要的航空、航天結(jié)構(gòu)材料。由于鈦合金導(dǎo)熱性差、摩擦系數(shù)大、抗摩擦性較差，對(duì)微動(dòng)損傷極為敏感［1-6］，據(jù)估計(jì)航空結(jié)構(gòu)破壞中涉及微動(dòng)損傷的比例高達(dá)90%［3，6］。微動(dòng)損傷機(jī)理較為復(fù)雜，涉及黏著、腐蝕、疲勞及磨粒磨損多種機(jī)制，雖然進(jìn)行了較為廣泛的研究，然而微動(dòng)損傷機(jī)理及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，也沒有一個(gè)統(tǒng)一的能在設(shè)計(jì)階段預(yù)防的有效辦法，使得微動(dòng)損傷問題受到工程界普遍關(guān)注。普遍認(rèn)為對(duì)微動(dòng)損傷起主要作用的參數(shù)有:1)接觸面相對(duì)滑動(dòng)幅值和頻率;2)接觸面應(yīng)力大小、方向和變化;3)匹配材料和接觸面狀態(tài);4)接觸面溫度及環(huán)境［3，6-7］。

某型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行近1000 h之后，發(fā)生2片低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片脫榫斷裂和同級(jí)9片葉片榫頭裂紋故障，多級(jí)葉片被打傷。斷裂和裂紋轉(zhuǎn)子葉片材料為(α+β)型鈦合金，系模鍛、機(jī)械加工成型葉片，與其配合壓氣盤也為同類鈦合金，采用燕尾形安裝結(jié)構(gòu)。

通過對(duì)斷裂和裂紋葉片外觀觀察、斷口分析、化學(xué)成分分析、硬度檢測和金相檢驗(yàn)等手段，確認(rèn)葉片斷裂和裂紋的性質(zhì)，分析葉片早期斷裂原因，以期探尋改進(jìn)預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

對(duì)斷裂、裂紋葉片及與葉片配合的壓氣機(jī)盤榫頭進(jìn)行宏觀觀察，2片葉片由榫槽部位橫向斷裂，斷裂位置相同，榫齒工作面有氧化色及較重的摩擦痕跡(圖1、圖2)。同級(jí)9片葉片在相同位置出現(xiàn)裂紋，裂紋均位于葉背一側(cè)，部分葉片裂紋已延伸至進(jìn)氣邊，裂紋長度約15～45 mm不等;這些葉片的榫齒工作面及榫頭頂面均存在較重的摩擦痕跡，摩擦損傷區(qū)域各異，程度不同，部分葉片葉背一側(cè)榫齒工作面幾乎完全擦傷，在裂紋開口較大部位摩擦溝痕尤深;榫頭頂面摩擦損傷痕跡分布于葉盆和葉背兩側(cè)1～2 mm范圍，葉背側(cè)擦痕較重(圖3、圖4)。與葉片相配合的壓氣機(jī)盤榫齒工作面也有明顯的摩擦損傷痕跡。擦傷部位呈現(xiàn)基體金屬光澤，表現(xiàn)為不均勻的摩擦溝痕、金屬磨屑、基體金屬剝落和材料的相互轉(zhuǎn)移、金屬涂抹及微小粗糙的撕脫痕跡。

1.2 葉片斷口分析

1.2.1 斷裂葉片分析

2片葉片由榫槽部位橫向斷裂，斷裂位置和宏觀形貌相似，斷口平齊，無明顯塑性變形，斷口顏色為暗灰色，源區(qū)略深，未見腐蝕或異物覆蓋，斷口可見清晰疲勞弧線收斂于葉背一側(cè)表面(圖5、圖6)，表面有較重摩擦痕跡，應(yīng)屬疲勞斷裂。

圖1 葉片斷裂位置Fig.1 Fracture position of the blade

圖2 葉片斷裂位置Fig.2 Fracture position of the blade

圖3 葉背側(cè)榫齒工作面形貌Fig.3 The working face micrograph of tenon tooth at the blade back

用FEI公司生產(chǎn)Quanta400掃描電子顯微鏡對(duì)2片葉片斷口進(jìn)行了微觀觀察。葉片A斷口表現(xiàn)為多源起始特征，主源位于葉背一側(cè)，短線源(圖7)，源區(qū)未見材料冶金缺陷，源區(qū)附近榫齒工作面有摩擦損傷痕跡，并可見平行于斷口的小裂紋，在葉盆一側(cè)有多個(gè)次源。裂紋由葉背一側(cè)主源向兩側(cè)及葉盆方向擴(kuò)展，可見細(xì)密的疲勞條帶，裂紋擴(kuò)展到一定程度后，葉盆一側(cè)次源處起裂擴(kuò)展，2個(gè)裂紋交匯后，葉片發(fā)生斷裂，瞬斷區(qū)位于葉盆側(cè)，面積約占斷口總面積的1/8，瞬斷區(qū)為韌窩特征。葉片B斷口與葉片A相似，起源于葉背一側(cè)，短線源，源區(qū)氧化較重，附近榫齒工作面有摩擦損傷，向葉盆方向擴(kuò)展，葉盆一側(cè)瞬斷區(qū)約占斷口總面積的1/4。

1.2.2 裂紋葉片分析

圖4 葉盆側(cè)榫齒工作面形貌Fig.4 The working face micrograph of tenon tooth at the blade basin

圖5 葉片A斷口全貌Fig.5 Macrograph of fracture A

圖6 葉片B斷口全貌Fig.6 Macrograph of fracture B

圖7 葉片斷口主源區(qū)形貌Fig.7 Macrograph of main fatigue source region

選取裂紋較長的2片葉片進(jìn)行裂紋斷口分析，其斷口均起源于葉背一側(cè)，線源，源區(qū)未見材料和冶金缺陷，源區(qū)顏色較深，斷口形貌及擴(kuò)展方式與葉片A、B斷口相似。裂紋起源的榫齒工作面有明顯摩擦痕跡，摩擦微裂紋及磨屑和金屬剝落特征，并可見到多條平行于裂紋斷口面的微小裂紋(圖 8、圖9)。

由此看來2片斷裂葉片和9片裂紋葉片其斷裂性質(zhì)相同，均屬于疲勞開裂。其斷裂模式相同，起源位置相似，源區(qū)附近的榫齒工作面均存在較重的摩擦痕跡和微小裂紋，而且裂紋均由榫齒工作面磨損部位萌生。

圖8 平行于斷口面的摩擦痕跡Fig.8 Friction trace parallel to the fracture

圖9 榫齒工作面摩擦微裂紋Fig.9 Friction cracks on the working face of tenon tooth

1.3 材質(zhì)分析

在榫頭部位取樣進(jìn)行化學(xué)成分、組織和硬度檢測。結(jié)果表明:化學(xué)成分符合技術(shù)要求;顯微組織均勻，為(α+β)兩相組織，初生α相為等軸狀，尺寸細(xì)小，屬正常組織(圖10);布氏硬度為3.24 HB，符合硬度要求3.2 ～3.7 HB。

2 分析與討論

斷裂、裂紋葉片斷口分析表明，所有斷裂、裂紋葉片失效模式相同，均屬于疲勞開裂，裂紋起源于榫齒工作面摩擦損傷部位。

圖10 榫頭顯微組織Fig.10 Microstructure of tenon

轉(zhuǎn)子葉片工作時(shí)主要受到離心應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力，從斷裂葉片斷口疲勞擴(kuò)展充分，瞬斷區(qū)較小等特征判斷，葉片在疲勞擴(kuò)展至斷裂階段應(yīng)力水平較小;因此，葉片疲勞開裂主要是離心應(yīng)力疊加了振動(dòng)應(yīng)力作用的結(jié)果，葉片的斷裂模式應(yīng)屬振動(dòng)疲勞斷裂，為高周疲勞擴(kuò)展特征。

葉片材質(zhì)分析結(jié)果表明，其化學(xué)成分、顯微組織和硬度均符合技術(shù)要求，斷口源區(qū)也未見材料冶金缺陷，據(jù)此可排除材質(zhì)因素導(dǎo)致葉片早期疲勞斷裂的可能。從斷裂源區(qū)氧化色較重，源區(qū)附近榫齒工作面摩擦損傷痕跡和微小裂紋來看，葉片早期疲勞斷裂與榫齒工作面的摩擦損傷有密切關(guān)系。

榫齒工作面的這種摩擦損傷表現(xiàn)為不均勻的摩擦痕跡、微裂紋、金屬磨屑、基體金屬剝落和材料的相互轉(zhuǎn)移，并在裂紋源區(qū)附近的摩擦損傷區(qū)見到多條平行于主裂紋的微裂紋及垂直于摩擦痕跡的微裂紋。這些微裂紋和摩擦痕跡表明:葉片和盤榫齒配合面存在微小幅度的相對(duì)滑動(dòng)，涉及黏著、腐蝕、疲勞及磨粒磨損多種機(jī)制，屬于榫齒工作面微動(dòng)磨損［6，8-9］。

由于鈦合金摩擦系數(shù)大，對(duì)微動(dòng)損傷極為敏感，極易引起葉片和榫齒配合表面微動(dòng)損傷［1-6，8］。無論盤和葉片何種配合形式，配合面之間總留有少量間隙，以補(bǔ)償高溫產(chǎn)生的膨脹，工作中由于氣流擾動(dòng)或振動(dòng)使得二者之間出現(xiàn)小幅度相對(duì)滑動(dòng)，形成微動(dòng)磨損。接觸面的應(yīng)力狀態(tài)大小和分布、微動(dòng)頻率、位移幅值、表面粗糙度及材料表面摩擦系數(shù)是影響微動(dòng)摩擦行為的主要因素［8-10］。榫齒工作面不均勻的摩擦損傷痕跡表明:盤和葉片榫齒接觸狀態(tài)不佳和配合不良是其微動(dòng)磨損的主要原因。

從盤和葉片榫齒接觸狀態(tài)以及尺寸復(fù)查等調(diào)查結(jié)果看，尺寸均在加工公差范圍內(nèi)，因此，配合不良重要是由于盤和葉片均采用同類型鈦合金，配合面間無防磨損涂層，由于微小間隙的必然存在，使其高溫下表面氧化，微動(dòng)接觸區(qū)由于摩擦產(chǎn)生高應(yīng)變和大變形，形成微動(dòng)磨損斑，表面形成磨屑，在高溫下，進(jìn)一步形成TiO2磨粒，加速磨粒磨損，進(jìn)而促進(jìn)微動(dòng)磨損裂紋的萌生，磨粒楔入微裂紋，加速裂紋擴(kuò)展［5］。

綜上可見，盤、片接觸不均，配合不良造成榫齒受力不均，并引起微動(dòng)磨損，是該級(jí)葉片早期振動(dòng)疲勞斷裂的主要原因。

采用配合面涂覆干膜潤滑劑，有效降低了磨損量和摩擦系數(shù)，使得微動(dòng)磨損引起葉片振動(dòng)疲勞斷裂問題得到有效預(yù)防。另外，在配合面鍍銀、沉積Ag/Ni金屬膜、等離子噴涂Co/WC涂層和噴丸等表面改性技術(shù)能有效提高微動(dòng)磨損抗力。

3 結(jié)論

1)低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片斷裂和裂紋失效模式均屬振動(dòng)疲勞斷裂，盤片配合不良引起微動(dòng)磨損是該級(jí)葉片早期振動(dòng)疲勞斷裂的主要原因;

2)在盤和葉片榫齒配合面鍍銀、涂干膜潤滑、沉積Ag/Ni金屬膜、等離子噴涂Co/WC涂層和噴丸能夠有效預(yù)防榫齒配合面微動(dòng)磨損。

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