涡桨发动机涡轮导向器失效分析
涡桨发动机涡轮导向器失效分析
摘要：分析了一起涡轮螺旋桨发动机涡轮导向器内环多处裂纹故障。通过对裂纹断口进行宏、微观观察，组织和硬度检查，能谱的半定量分析和综合分析，结果显示，导向器内环裂纹性质为热机械疲劳(tmf)，疲劳裂纹起源于叶型槽孔角处。叶型槽孔角加工质量不佳，存在应力集中，是造成内环疲劳裂纹主要原因：大修时叶型槽局部补焊降低了材料的热疲劳抗力，对裂纹的萌生和扩展也有影响。
关键词：涡轮导向器；热机械疲劳；应力集中；局部补焊
中图分类号：tg142.4
1引言
故障发动机为20世纪50年代由国外设计和制造的涡轮螺旋浆式发动机，用于m=0.5~0.7的运输机的动力装置。它的优点是耗油率较小，但由于采用螺旋浆作推进器，这种发动机只适用于低于音速的飞机。
涡轮静子有涡轮机匣、导向器等部分组成，是涡轮部分主要传力件。涡轮导向器是有导向器内环、外环和导向叶片所组成。一般涡轮导向器有多级。导向器的功用是使气流通过它后，将气体的部分热能转变为动能，并满足工作涡轮所要求的进口气流方向。
涡轮导向器的工作条件十分恶劣，表现在：级导向器紧接在燃烧室出口，导向叶片处于燃气流的包围中，温度高且分布不均，易烧伤；叶片直接和高温燃气接触，燃气中的游离氧和硫组分对叶片表面有强烈的氧化、腐蚀作用；各零件热应力大，工作时导向叶片又受到冷热疲劳，所以极易产生疲劳裂纹；此外导向叶片还要承受燃气的气动力、气流脉动所造成的振动负荷等。因此，设计时必须在选材、结构、冷却、表面防护等方面采取措施。
故障发动机在国内分解检查发现，第二级涡轮导向器内环有多处裂纹。该发动机制造和修理均在国外完成，总规定寿命12000小时，修后使用823小时16分钟，总使用时间2349小时59分钟。
为确定导向器内环的裂纹性质和原因，本文利用扫描电子显微镜、x射线能谱仪、显微硬度计等设备对内环进行了相关试验，并对实验结果进行了分析。
2试验过程与分析 2.1外观检查
第二级涡轮导向器有外环、内环和41片导向叶片、隔热屏等零件焊接组装而成，叶片一端插入内环叶型槽孔内、另一端则焊接固定在外环壳体上。内环上共有3条裂纹，为分析方便，将裂纹一次编号为1#~3#，裂纹均处在导向器的排气面一端，分布在内环圆周上0度、45度、90度位置，3条裂纹宏观形貌类似，第二级涡轮导向器及内环及内环裂纹宏观形貌见图1a,b。
将叶片从导向器上分解下来，发现裂纹均起源于内环叶槽孔角处，该处壁厚3mm，裂纹*穿透壁厚，且裂纹附近均有打磨过的痕迹，见图2a。整个内环上的叶型槽孔加工质量普遍较差，孔德半圆面和弧形面没有相切圆滑过渡，而是相交，见图2b，加工质量差增大了交线处的应力集中，裂纹就萌生在槽孔的交线处。
2.2微观检查及成分分析
将几条裂纹打开后发现，在裂纹的背面还保留焊缝波纹或有明显的打磨痕迹，裂纹就处于焊接区域，通过痕迹分析确定裂纹及其附近区域大修时曾经补焊过。在扫描电子显微镜下观察裂纹断口形貌。3条裂纹断口形貌相同，均为热机械疲劳断口，主疲劳源为线源，位于叶槽孔壁交线处；次疲劳源位于表面打磨处(该处为焊接区)，图3a。整个断口氧化严重，有较厚的氧化物，在疲劳扩展后期可见到疲劳条带和二次裂纹，有的二次裂纹沿着晶界扩展，见图3b~图3e。在疲劳区既有沿晶二次裂纹，又有疲劳条带形貌，是热机械疲劳断口的典型形貌特征。
用x射线能谱仪对内环和焊接区进行半定量成分分析，结果显示，内环材料为含23%(wt)铬的铁镍基高温合金，与我国高温合金号gh1140类似。说明内环材料是铁镍基变形高温合金。焊接区成分与内环成分相近，分析认为大修补焊时采用了与基体同牌号的填充材料。
2.3显微组织和硬度
将3#裂纹沿横切面切开，磨制金相，经腐蚀剂腐蚀后在光学显微镜下观察组织形态。裂纹处的显微组织形态见图3d，图中裂纹表面覆盖着一层浅灰色的氧化物、在主裂纹的下方还有二次裂纹，这些二次裂纹是沿晶界扩展，晶界内业充满氧化物。裂纹区组织为焊接组织，属于重熔空冷形成的铸台组织，与原始的变形合金组织*不同，说明该处曾经局部补焊过。
远离裂纹的内环组织为典型的变形敢问合金等轴组织，见图4a，这种组织晶粒内含有较少的碳(氮)化物强化组。焊接组织和等轴组织的姓埋对比见图4b，可见焊接组织晶粒内析出很多碳(氮)化物强化相。用显微硬度计测定这两种组织的显微硬度，硬度值有明显差异，其中，焊接组织的显微硬度换算成洛氏硬度为hrc39.5，变形高温合金组织硬度为hrc26.8.
3综合分析
纯粹的机械疲劳断口，只受到循环应力或循环应变的作用，疲劳裂纹大多数为穿晶扩展，断口上只见到疲劳条带或疲劳二次裂纹。而涡轮导向器作为发动机重要的热端部位，受到冷热温度循环和应变循环的共同的共同作用，长期的高温条件使用(长期时效)，等轴晶界容易氧化，并弱化，疲劳裂纹容易萌生在表面氧化晶界处，疲劳裂纹既可沿晶界扩展也可穿晶界扩展，反映咋断口上，可见到沿晶界二次裂纹和疲劳条带的混合特征。
图3 线疲劳源、疲劳条带及二次裂纹、沿晶二次裂纹形貌
(a)起源于槽孔壁的线疲劳源；(b)疲劳条带及二次裂纹；
(c)疲劳条带和沿晶二次裂纹；(d)沿晶二次裂纹
图4 非焊接区和焊接区的显微组织
(a)非焊接区的显微组织；(b)焊接区的显微组织
经过上述检查与分析认为，内环裂纹为典型的热机械疲劳裂纹，热机械疲劳(tmf)是温度循环与应变循环叠加的疲劳，断口既有沿晶界二次裂纹又有疲劳条带特征。疲劳裂纹起始于叶型槽孔角处，整个内环上的叶型槽孔加工质量普遍较差，孔的半圆面和弧形面没有圆滑过渡形成相切线，而是形成了相交线。叶型槽孔交线处的应力集中程度没有明显增大，加速了疲劳裂纹在该处的萌生，故叶型槽孔加工质量不佳，存在应力集中，是造成内环形成疲劳裂纹的主要原因。另外，大修时的补焊降低了材料的热疲劳抗力，对内环疲劳裂纹的萌生和扩展也有影响。内环叶型槽孔局部区域补焊形成的焊接组织，有别于变形高温合金的等轴组织，一方面增加了该区域的焊接应力和组织应力，提高了残余拉应力水平；另一方面显微组织的变化，降低了材料的热疲劳抗力。钢的显微组织与热疲劳抗力有密切关系，如第二相的大小、数量、形状和分布，基体组织类型、晶粒尺寸。
有研究表明，高温合金的热机械疲劳(tmf)寿命明显低于使用温度下等温度疲劳寿命(if)，说明温度的交替变化将导致高温合金疲劳寿命的进一步恶化。
4 结论
1)涡轮导向器内环裂纹为热机械疲劳裂纹，疲劳裂纹起始于叶型槽孔角。
2)叶型槽孔角加工质量不佳，存在应力集中，是造成内环形成疲劳裂纹的主要原因。
3)大修时叶型槽局部补焊降低了材料的热疲劳抗力，对裂纹的萌生和扩咱也有影响。