某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)有2級(jí)，第1級(jí)為軸流式，第2級(jí)為單面離心式，目前使用的單面離心式壓氣機(jī)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(dòng)機(jī)在使用過程中，裝有整體式離心葉輪的發(fā)動(dòng)機(jī)多次出現(xiàn)離心葉輪導(dǎo)風(fēng)輪葉片裂紋故障，有的葉片甚至斷裂掉塊打壞了發(fā)動(dòng)機(jī)，造成事故癥候，嚴(yán)重影響了飛機(jī)安全。通過對(duì)該部件設(shè)計(jì)質(zhì)量、工藝復(fù)查與失效分析后，查明了其主要失效原因?yàn)橐韵?點(diǎn)：首先該型發(fā)動(dòng)機(jī)整體離心葉輪壓氣機(jī)葉片裂紋性質(zhì)是高循環(huán)疲勞，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)和熱處理控制等細(xì)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(chǔ)備與塑韌性不足所致，因而有必要對(duì)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(xué)特性進(jìn)行深入分析。

　　01試驗(yàn)方法

　　首先利用有限元方法分析了離心葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的整體受力情況，其次運(yùn)用應(yīng)力應(yīng)變非接觸式測(cè)量和頻率掃描對(duì)整體離心葉輪的共振轉(zhuǎn)速進(jìn)行了檢測(cè)，最后采用WE-300液壓拉伸試驗(yàn)機(jī)與JBN-300B型沖擊試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)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(jìn)行了測(cè)量。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依照GB/T228-2002《金屬拉伸試驗(yàn)方法》與GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)辦法》進(jìn)行。

　　02試驗(yàn)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(jì)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(shí)葉輪后端面輪轂部分應(yīng)力分布也較大，這是因?yàn)樵搮^(qū)域?yàn)槿~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(jì)規(guī)范，整體式離心葉輪的靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

　　2.2 振動(dòng)應(yīng)力檢測(cè)分析

　　由于該部件的導(dǎo)風(fēng)輪葉片為大扭角葉片，葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力的作用下，扭角減小有被拉直的趨勢(shì)，同時(shí)在其前方配有軸流壓氣機(jī)出口非均布的5個(gè)整流支板，因而在氣動(dòng)力的作用下旋轉(zhuǎn)的葉片會(huì)發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)。通過振動(dòng)特性分析可知，在葉片裂紋部位振動(dòng)應(yīng)力最大，取同批次整體離心葉輪測(cè)得葉片第3階靜頻最小為6711Hz，最大為6887Hz?？紤]到離心壓氣機(jī)前方內(nèi)機(jī)匣的5個(gè)非均布支板，通過對(duì)比坎貝爾圖(圖2，K=5)可知離心壓氣機(jī)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(jìn)一步驗(yàn)證振動(dòng)特性分析的準(zhǔn)確性，研究人員采用了應(yīng)力應(yīng)變非接觸式測(cè)量和頻率掃描對(duì)整體離心葉輪的共振轉(zhuǎn)速進(jìn)行了檢測(cè)。其檢測(cè)結(jié)果為整體離心葉輪存在兩個(gè)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(dòng)主要是由轉(zhuǎn)速基頻的5倍頻激起，振動(dòng)頻率約為間隔葉片的一階動(dòng)頻，最大振幅為0.28mm，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為22532r/min。而26500～22900r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)葉片的振動(dòng)主要是由轉(zhuǎn)速基頻的15倍頻激起，振動(dòng)頻率約為間隔葉片的3階動(dòng)頻，最大振幅為0mm，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為26790r/min。由檢測(cè)結(jié)果可知，振動(dòng)頻率與共振轉(zhuǎn)速的測(cè)量結(jié)果基本與振動(dòng)特性的分析結(jié)果相一致，這也驗(yàn)證了失效原因分析結(jié)果的可信性。

　　2.3 改進(jìn)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(qiáng)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(xué)成分與力學(xué)性能指標(biāo)。而對(duì)于本文所研制的某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)離心葉輪的2Cr13鍛件材料而言，在可靠性研制過程中，只是對(duì)該部件結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)算、超轉(zhuǎn)破裂試驗(yàn)和部件、整機(jī)低循環(huán)試驗(yàn)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(dòng)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)給定的性能指標(biāo)是最低保證指標(biāo)，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(xué)性能還需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提高材料的強(qiáng)度和沖擊韌性值。

　　2.3.1 采購(gòu)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化

　　整體離心壓氣機(jī)葉輪裂紋故障分析結(jié)論認(rèn)為2Cr13不銹鋼鍛件材料抗力不足，雖然該型發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過程中，大量的發(fā)動(dòng)機(jī)服役使用正常，出現(xiàn)整體離心壓氣機(jī)葉輪葉片裂紋的發(fā)動(dòng)機(jī)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(gòu)技術(shù)指標(biāo)基礎(chǔ)上，起草了新的技術(shù)指標(biāo)采購(gòu)要求(表1)。由表可見，新技術(shù)指標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化了冶煉工藝與化學(xué)成分內(nèi)控區(qū)間，同時(shí)還增添了晶粒度與夾雜物等級(jí)要求，從最初的原材料采購(gòu)上加以控制與優(yōu)化。此外，新的技術(shù)指標(biāo)相比于舊的技術(shù)指標(biāo)，其綜合力學(xué)性能指標(biāo)要求也加以提高(表2)。

　　2.3.2 熱處理工藝優(yōu)化研究

　　對(duì)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(xué)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(cè)結(jié)果?？梢娫诨鼗饻囟葏^(qū)間為610～660℃時(shí)，2Cr13不銹鋼鍛件以及零件的綜合力學(xué)性能可同時(shí)滿足新的技術(shù)指標(biāo)要求(表2)。而最初設(shè)計(jì)的570回火制度，雖然鍛件毛坯料可以達(dá)到新技術(shù)指標(biāo)要求，但最終零件檢測(cè)結(jié)果卻不達(dá)標(biāo)。

　　2.3.3 改進(jìn)措施有效性驗(yàn)證研究

　　為了驗(yàn)證改進(jìn)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(jìn)行了振動(dòng)應(yīng)力檢測(cè)。表4給出了動(dòng)應(yīng)力測(cè)量的對(duì)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(dòng)應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)可知，全部?jī)?yōu)化的整體離心葉輪試樣3的一階振動(dòng)應(yīng)力水平與試樣1、試樣2相比下降了約50%(對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)過渡態(tài)轉(zhuǎn)速，非發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速);3階振動(dòng)應(yīng)力與試樣1、試樣2比較有大幅度的下降(對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速)，應(yīng)力下降明顯，改進(jìn)措施效果顯著。

　　此外，為了進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性，對(duì)試樣2和試樣3的整體離心葉輪在整機(jī)上3階共振轉(zhuǎn)速下分別進(jìn)行了6×107和1×108次高循環(huán)疲勞試驗(yàn)，均高于《航空渦輪螺槳發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》的規(guī)定要求。試驗(yàn)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(yàn)考核，驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。

　　03結(jié)論

　　(1)通過有限元計(jì)算與振動(dòng)特性檢測(cè)分析后可知，2Cr13不銹鋼鍛件材料的抗力儲(chǔ)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(duì)2Cr13材料的冶煉工藝、內(nèi)控成分、夾雜物質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及熱處理工藝等進(jìn)一步優(yōu)化后，可顯著改善提高2Cr13鍛件的綜合力學(xué)性能與降低振動(dòng)應(yīng)力。

　　(3)通過應(yīng)用考核試驗(yàn)可知，經(jīng)過改進(jìn)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(shí)也滿足了疲勞性能的指標(biāo)要求，進(jìn)而徹底解決了壓氣機(jī)離心葉輪用2Cr13鍛件的斷裂失效問題。

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