某型发动机二级导向器叶片变形和裂纹分析手机连接器
发布时间:2022-09-19 19:24:50 来源:沪华五金网
某型发动机二级导向器叶片变形和裂纹分析
某型发动机二级导向器叶片变形和裂纹分析 2011: [摘要] 对一种发动机导向器叶片的变形、裂纹及其断口进行金相和电镜分析。结果表明,发动机温度场不均匀,出现局部高温,致使导向器叶片产生过烧,造成变形和裂纹。
Analysis on Deformation and Cracks ofan Engine Stage Ⅱ Nozzle Vanes
Liu Qingquan(Xingyi Machinery Factory)
[Abstract] The paper gives analysis to the tests on deformation cracks and fracture of an engines nozzle vanes done by metallographic and scan electromicroscope methods.The results show that the non-unibormity of engine temperature fields and the partial high temperature lead to overheat of the nozzle vanes and result in deformation and cracks.Keywordsoverheat deformation crack superalloy thermal stress1 概述 某型发动机在工厂飞行两个起落(约3h)后检查,发现发动机二级导向器叶片的进气边变形和出现裂纹,后来又相继发现14台发动机出现类似故障。根据统计,故障叶片的位置均集中在1#,5#和31#上,其中以5#位置的叶片变形最为严重,出现的次数最多,有的变形量已达10mm以上,叶片变形后明显弯曲,致使其小轴从结合环孔中抽出,叶片向后倾斜和二级涡轮叶片相磨。 本文取P7830141号发动机的5#叶片(该叶片的铸造炉号为82D1324)进行理化分析,以便找出叶片变形和产生裂纹的原因。2 试验结果2.1 外观检查 5#故障叶片外观如图1所示。在进气边叶盆面上有一条长为13.96mm的横向主裂纹,距小安装板为21.8mm,在主裂纹下方10.3mm处还有一条4.2mm长的小裂纹,在主裂纹两侧有明显的皱纹,这种皱纹从进气边到排气边由宽变窄,并逐渐消逝,皱纹区呈灰白色。在主裂纹的附近,叶片向叶背方向弯曲和严重变形。2.2 材质检查 某型发动机二级导向器叶片用K403镍基铸造高温合金精铸而成,从故障叶片的4#位置(图1)切取试样,化学成分分析结果如下表所示。
图1 5#故障叶片(叶盆面)外观形貌Fig.1 Appearance of the failed 5# vane (face)
由表1可知,除B元素比技术条件要求略低外,其他元素均符合技术要求。Table 1 Chemical composition of the failed 5# blade
表 5#故障叶片化学成分分析结果
元素,%CSiSPCrWMoAlTiCoB故障件0.16<0.5<0.01<0.0210.355.274.315.472.605.160.008技术条件0.11~0.18≤0.5≤0.01≤0.0210~124.8~5.53.8~4.55.3~5.92.3~2.94.5~6.00.01~0.03
2.3 金相观察 在主裂纹部位切取金相试样,沿叶盆面磨制试样,经腐蚀后在金相显微镜下观察,如图2和图3所示。可明显看出,叶片进气边约10mm的深度(相当裂纹长的3/4)出现耐腐蚀现象,晶粒度显示不出来。在裂纹起始区和扩展区均未发现冶金缺陷。裂纹扩展方向与进气边垂直,裂纹形状弯弯曲曲,属于沿晶断裂。
图2 主裂纹形貌及其组织 2×Fig.2 Morphology of main crack in the failed vane
图3 图2的放大 9.2×Fig.3 Higher magnification photograph showing the same crack from above figure
2.4 电镜观察 在叶身不同部位切取金相试样,二次碳复型,用透射电镜观察故障叶片不同部位的高倍组织。 首先,沿叶身纵向分别在1#,2#和3#位置(详见图1)取样,电镜观察结果如图4。由图4可见,1#位置靠近小安装板外,距主裂纹22.3mm;2#位置靠近主裂纹下面的皱纹处;3#位置靠近大安装板处,距主裂纹80mm。可知,1#位置γ′相及碳化物基本正常,但γ′相略有长大;2#位置γ′相全部溶解,在叶身冷却时,又重新析出二次细小的γ′相,证明该处的温度已超出K403合金γ′相完全溶解的温度;3#位置γ′相和碳化物正常,因为此处靠近大安装板,温度较低。
图4 沿故障叶片叶身纵向不同部位的组织 5000×Fig.4 Micrographs of the failed vane in its different positions along a lingitudinal direction
其次,沿主裂纹扩展方向(叶身横向)分九个部位观察故障叶片的电镜组织,每个部位的范围约为1.75mm,观察位置距裂纹的边缘为0.8mm(如图3中箭头所示),观察结果如图5所示。由图5可以看出,从进气边缘的第1部位至第4部位,γ′相完全溶解,空冷后又重新析出二次细小的γ′相,还残留部分碳化物,可见,这些部位的实际工作温度已超过K403合金的γ′相完全溶解温度;从第5部位到第7部位组织形貌基本相同,一次γ′相大部分溶解,并析出二次细小的γ′相,残留一小部分一次γ′相和碳化物,这些部位的实际工作温度也相当高,已经接近γ′相完全溶解的温度;第8至第9部位有少量的一次γ′相溶解,伴随着二次γ′相析出。
(1)1~4部位 (2)5~7部位 (3)8~9部位图5 故障叶片沿叶身横向不同部位的组织 5000×Fig.5 Micrographs of the failed vane in its different positions along a transverse direction
2.5 模拟试验 为确定K403合金γ′相完全溶解的温度,特做了两个模拟试验: (1)对K403合金采用不同的加热温度,用金相、电镜方法观察γ′相形态,测得K403合金γ′相完全溶解的温度为1210℃,如图6所示。
图6 K403合金1210℃加热后电镜组织 5000×Fig.6 Electron micrograph of K403 alloy heated at 1210℃
(2)对K403合金在同一个加热温度(1250℃)下,采用不同的保温时间,用金相、电镜方法观察γ′相的形态,测得K403合金在1250℃下,加热3min足以使γ′相完全溶解,如图7所示。
图7 K403合金1250℃3min后的电镜组织 6000×Fig.7 Electron micrograph of K403 alloyheated at 1210℃ for 3min
2.6 断口分析 宏观断口如图8。由图8可见,裂纹起于进气边,裂纹扩展方向与进气边相垂直;断口粗糙,高低不平;裂纹源区(进气边圆角R处)柱晶方向不明显,晶粒细小,这可能与进气边表层出现初熔组织有关。整个断口属于沿晶断裂。 碳二次复型和透射电镜观察,断口源区沿晶断裂形貌如图9所示。
图8 5#故障叶片的宏观断口 6×Fig.8 Macro-fracture of the failed 5# vane
图9 5#故障叶片进气边断口形貌 5000×Fig.9 Fracture morphology of leading edge of the failed 5# vane
3 讨论3.1 二级导向器叶片的工作温度 二级导向器叶片材料为K403镍基铸造高温合金,其正常工作温度为950℃左右。试验证明:进气边皱纹处γ′相完全溶解,金相组织发生变化,导致合金性能下降。模拟试验测出K403合金γ′相完全溶解的温度为1210℃,可见二级导向器叶片实际工作温度远超出正常工作温度,高达1200℃以上。在这样高的工作温度下,合金的主要强化相γ′在几分钟之内便会完全溶解,合金产生过热或过烧,强度和塑性急剧下降。前苏联资料报导,ЖС-6К镍基铸造高温合金在1030℃时的持久强度比900℃时要下降1/3;高温瞬时强度在1100℃时比900℃时要下降2/3。因此超温过热或过烧是导致二级导向器叶片变形和裂纹的主导因素。3.2 二级导向器叶片的热应力 在发动机正常工作状态下,二级导向器叶片承受较小的振动应力和热应力。当发动机温度场不均匀时,叶片进气边局部区域承受1200℃以上的高温,受热部位急剧升温,叶身的热膨胀,一方面由于叶身受热不均匀,在内部受到约束,另一方面在外部受到机匣和结合环的约束。在双重约束力的作用下,热膨胀受阻,于是在叶身内部产生极大的热应力,当这种热应力的水平超过材料的屈服强度时,叶身便产生塑性变形;当超过强度极限时,叶身便发生断裂。可见,二级导向器叶片的变形和裂纹是热应力作用的结果,而这种导致叶片变形和开裂的热应力,主要来源于叶片进气边的超温作用。4 结论 (1)二级导向器叶片的材质符合技术条件的要求;在裂纹的起始部位和扩展区均未发现冶金缺陷;叶片的变形和裂纹与材质无关。 (2)发动机温度场不均匀,在固定部位(1#,5#,31#部位)出现局部高温区,其最高热点温度大于1200℃,致使二级导向器叶片进气边产生过热或过烧,造成叶片变形和裂纹。5 建议 设计和使用部门从结构、燃烧系统、使用维护、调试等各方面,查明发动机强度场不均匀的原因,采取相应的改正措施。
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