某型發(fā)動機壓氣機有2級，第1級為軸流式，第2級為單面離心式，目前使用的單面離心式壓氣機結(jié)構(gòu)為整體式離心葉輪，其材質(zhì)為2Cr13不銹鋼鍛件。但近年來該型發(fā)動機在使用過程中，裝有整體式離心葉輪的發(fā)動機多次出現(xiàn)離心葉輪導(dǎo)風輪葉片裂紋故障，有的葉片甚至斷裂掉塊打壞了發(fā)動機，造成事故癥候，嚴重影響了飛機安全。通過對該部件設(shè)計質(zhì)量、工藝復(fù)查與失效分析后，查明了其主要失效原因為以下2點：首先該型發(fā)動機整體離心葉輪壓氣機葉片裂紋性質(zhì)是高循環(huán)疲勞，發(fā)動機在空慢轉(zhuǎn)速附近與離心葉輪三階諧共振，2Cr13不銹鋼鍛件材質(zhì)脆性、沖擊韌性值(ak)偏低、抗疲勞能力不足是導(dǎo)致該故障的重要誘因；其次是葉片前緣Ｒ角設(shè)計和熱處理控制等細節(jié)方面存在不足等綜合原因所致。故障分析的結(jié)論將主要矛盾指向了2Cr13不銹鋼鍛件材料抗力儲備與塑韌性不足所致，因而有必要對該整體離心葉輪葉片受力情況以及2Cr13不銹鋼鍛件材料的力學特性進行深入分析。

1、試驗方法 

      首先利用有限元方法分析了離心葉輪運轉(zhuǎn)時的整體受力情況，其次運用應(yīng)力應(yīng)變非接觸式測量和頻率掃描對整體離心葉輪的共振轉(zhuǎn)速進行了檢測，最后采用WE-300液壓拉伸試驗機與JBN-300B型沖擊試驗機分別對580～770℃回火溫度下2Cr13不銹鋼鍛件的縱向拉伸性能與沖擊性能進行了測量。試驗標準依照GB/T228-2002《金屬拉伸試驗方法》與GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊實驗辦法》進行。

2、試驗結(jié)果與分析

      離心葉輪整體受力分析圖1給出了利用有限元方法計算得到的整體離心葉輪在300℃溫度以及工作轉(zhuǎn)速為33550/min工況下的等效應(yīng)力云圖。由圖可見，葉片與葉輪相接處由于應(yīng)力集中效應(yīng)局部出現(xiàn)較大應(yīng)力集中，離心力是導(dǎo)致葉輪受力的主要原因。同時葉輪后端面輪轂部分應(yīng)力分布也較大，這是因為該區(qū)域為葉輪產(chǎn)生離心力的主要作用區(qū)域。而最大應(yīng)力集中分布在接近葉輪后端面的中心孔周圍。但根據(jù)設(shè)計規(guī)范，整體式離心葉輪的靜強度滿足設(shè)計要求。

2.2 振動應(yīng)力檢測分析    

      由于該部件的導(dǎo)風輪葉片為大扭角葉片，葉片旋轉(zhuǎn)時，在離心力的作用下，扭角減小有被拉直的趨勢，同時在其前方配有軸流壓氣機出口非均布的5個整流支板，因而在氣動力的作用下旋轉(zhuǎn)的葉片會發(fā)生強迫振動。通過振動特性分析可知，在葉片裂紋部位振動應(yīng)力最大，取同批次整體離心葉輪測得葉片第3階靜頻最小為6711Hz，最大為6887Hz?？紤]到離心壓氣機前方內(nèi)機匣的5個非均布支板，通過對比坎貝爾圖（圖2，K＝5）可知離心壓氣機轉(zhuǎn)子葉片3階共振轉(zhuǎn)速的理論范圍大致為26844～27548r/min。

     為了進一步驗證振動特性分析的準確性，研究人員采用了應(yīng)力應(yīng)變非接觸式測量和頻率掃描對整體離心葉輪的共振轉(zhuǎn)速進行了檢測。其檢測結(jié)果為整體離心葉輪存在兩個主要共振轉(zhuǎn)速帶：22000～22300r/min和26500～22900r/min。其中22000～22300r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)葉片的振動主要是由轉(zhuǎn)速基頻的5倍頻激起，振動頻率約為間隔葉片的一階動頻，最大振幅為0.28ｍｍ，對應(yīng)轉(zhuǎn)速為22532r/min。而26500～22900r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)葉片的振動主要是由轉(zhuǎn)速基頻的15倍頻激起，振動頻率約為間隔葉片的3階動頻，最大振幅為0mm，對應(yīng)轉(zhuǎn)速為26790r/min。由檢測結(jié)果可知，振動頻率與共振轉(zhuǎn)速的測量結(jié)果基本與振動特性的分析結(jié)果相一致，這也驗證了失效原因分析結(jié)果的可信性。

2.3 改進措施   

      2Cr13作為馬氏體型不銹鋼，其固溶回火后具有優(yōu)良的耐蝕性、熱強度和沖擊韌性。因而被廣泛應(yīng)用于航空、航天以及艦船等各領(lǐng)域的承載部件?！逗娇沼貌讳P鋼及耐熱鋼棒規(guī)范》與《航空用鋼鍛件規(guī)范》分別規(guī)定了2Cr13不銹鋼鍛件的主要化學成分與力學性能指標。而對于本文所研制的某型發(fā)動機壓氣機離心葉輪的2Cr13鍛件材料而言，在可靠性研制過程中，只是對該部件結(jié)構(gòu)進行了更改，而材料、尺寸和熱處理工藝未發(fā)生變化。經(jīng)過理論計算、超轉(zhuǎn)破裂試驗和部件、整機低循環(huán)試驗考核表明，采用2Cr13不銹鋼鍛件加工的整體離心葉輪是滿足發(fā)動機工作要求的。但故障的發(fā)生說明，在批生產(chǎn)質(zhì)量控制過程中，專業(yè)標準給定的性能指標是最低保證指標，推薦的熱處理制度范圍可能過寬，熱處理制度的選擇可能還不是最佳制度，材料綜合力學性能還需要進一步優(yōu)化，以提高材料的強度和沖擊韌性值。

2.3.1 采購技術(shù)指標優(yōu)化     

      整體離心壓氣機葉輪裂紋故障分析結(jié)論認為2Cr13不銹鋼鍛件材料抗力不足，雖然該型發(fā)動機在使用過程中，大量的發(fā)動機服役使用正常，出現(xiàn)整體離心壓氣機葉輪葉片裂紋的發(fā)動機也只占少數(shù)，但保證裝備飛行安全是必須的，因而在原有的采購技術(shù)指標基礎(chǔ)上，起草了新的技術(shù)指標采購要求（表1）。由表可見，新技術(shù)指標進一步優(yōu)化了冶煉工藝與化學成分內(nèi)控區(qū)間，同時還增添了晶粒度與夾雜物等級要求，從最初的原材料采購上加以控制與優(yōu)化。此外，新的技術(shù)指標相比于舊的技術(shù)指標，其綜合力學性能指標要求也加以提高（表2）。

2.3.2 熱處理工藝優(yōu)化研究   

      對于2Cr13馬氏體不銹鋼而言，其不同的熱處理狀態(tài)得到的顯微組織有著顯著差異，而材料的力學性能也隨之發(fā)生較大的變化。表3給出了2Cr13不銹鋼鍛件以及最終零件成品經(jīng)不同回火制度處理后的拉伸性能與沖擊性能檢測結(jié)果?？梢娫诨鼗饻囟葏^(qū)間為610～660℃時，2Cr13不銹鋼鍛件以及零件的綜合力學性能可同時滿足新的技術(shù)指標要求（表2）。而最初設(shè)計的570回火制度，雖然鍛件毛坯料可以達到新技術(shù)指標要求，但最終零件檢測結(jié)果卻不達標。

2.3.3 改進措施有效性驗證研究    

      為了驗證改進措施的有效性，筆者分別將工藝優(yōu)化前后的整體離心葉輪進行了振動應(yīng)力檢測。表4給出了動應(yīng)力測量的對比結(jié)果，其中試樣1代表原始料（電爐＋電渣料）＋570℃回火處理；試樣2代表原始料（電爐＋電渣料）＋610℃回火處理；試樣3代表新料（真空感應(yīng)爐＋電渣重熔）＋610℃回火處理。E代表轉(zhuǎn)速頻率的倍數(shù)。

　    根據(jù)振動應(yīng)力測量數(shù)據(jù)可知，全部優(yōu)化的整體離心葉輪試樣3的一階振動應(yīng)力水平與試樣1、試樣2相比下降了約50％（對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為發(fā)動機過渡態(tài)轉(zhuǎn)速，非發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速）；3階振動應(yīng)力與試樣1、試樣2比較有大幅度的下降（對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速），應(yīng)力下降明顯，改進措施效果顯著。     

     此外，為了進一步驗證改進措施的有效性，對試樣2和試樣3的整體離心葉輪在整機上3階共振轉(zhuǎn)速下分別進行了6×107和1×108次高循環(huán)疲勞試驗，均高于《航空渦輪螺槳發(fā)動機通用規(guī)范》的規(guī)定要求。試驗結(jié)束后檢查也并未發(fā)現(xiàn)整體離心葉輪有微裂紋出現(xiàn)，通過了應(yīng)用試驗考核，驗證了改進措施的有效性。

3、結(jié)論

     (1)通過有限元計算與振動特性檢測分析后可知，2Cr13不銹鋼鍛件材料的抗力儲備與塑韌性不足是導(dǎo)致該材料使用工況下失效的最主要原因。

     (2)通過對2Cr13材料的冶煉工藝、內(nèi)控成分、夾雜物質(zhì)量分數(shù)以及熱處理工藝等進一步優(yōu)化后，可顯著改善提高2Cr13鍛件的綜合力學性能與降低振動應(yīng)力。

     (3)通過應(yīng)用考核試驗可知，經(jīng)過改進措施后的整體離心葉輪試樣并未發(fā)現(xiàn)有微裂紋出現(xiàn)，同時也滿足了疲勞性能的指標要求，進而徹底解決了壓氣機離心葉輪用2Cr13鍛件的斷裂失效問題。

來源：海軍駐常州地區(qū)航空軍事代表室