2018年4月17日，西南航空1380號(hào)航班（Southwest Airlines Flight 1380）的一架波音737型客機(jī)在巡航狀態(tài)時(shí)，突然發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸事故，事故導(dǎo)致1人遇難，148人生還。

 

        初步的調(diào)查結(jié)果：這次事故是由于發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生了非包容性故障。

 

 

       航空事故歷史中，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片損壞而引發(fā)的飛機(jī)事故還真不少見(jiàn)

 

        2014年，我國(guó)南航CZ3739航班飛機(jī)引擎空中著火，事后調(diào)查顯示發(fā)生故障的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口處，壓氣機(jī)風(fēng)扇的葉片有斷裂。據(jù)推測(cè)，有可能是葉片斷掉后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，損傷發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流場(chǎng)，導(dǎo)致后者發(fā)生“畸變”，進(jìn)而形成“喘振”。所幸的是這次事故沒(méi)有造成人員傷亡。

 

        2016年8月27日，一架西南航空的波音737-700型客機(jī)在執(zhí)飛新奧爾良飛奧蘭多的航班時(shí)，同樣發(fā)生CFM56-7B型發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片非包容性故障，所幸此次事故中客機(jī)安全降落，并無(wú)更為嚴(yán)重事故發(fā)生。

 

        其實(shí)據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)空軍現(xiàn)役飛行的發(fā)動(dòng)機(jī)事故中，80%都跟發(fā)動(dòng)機(jī)葉片斷裂失效有關(guān)。而這么嬌貴的部分一旦發(fā)生斷裂失效，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整個(gè)飛機(jī)的損害往往是致命性的。

 

        可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片斷裂不容小覷，那么今天小編就帶領(lǐng)大家全方位認(rèn)識(shí)一下發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的斷裂，看看它為啥有這么驚人的破壞力。

 

        從理論上看，渦輪葉片斷裂的故障機(jī)理有疲勞、超應(yīng)力、蠕變、腐蝕、磨損等。

 

 

        疲勞

 

        發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由于經(jīng)常起動(dòng)、加速、減速、停車以及其他條件的影響，會(huì)使渦輪各部件承受復(fù)雜的循環(huán)載荷作用，使得葉片經(jīng)受大量彈性應(yīng)力循環(huán)，最終引起高周疲勞、低周疲勞或熱疲勞，使得渦輪葉片斷裂。

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片根部疲勞裂紋擴(kuò)展

 

        超應(yīng)力

 

        渦輪葉片由于其形狀的不規(guī)則，葉片中存在應(yīng)力集中部位。盡管在設(shè)計(jì)中往往會(huì)采取一系列措施加以避免，但實(shí)際上，超應(yīng)力仍然是造成渦輪葉片斷裂的一個(gè)原因。

 

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片中應(yīng)力分布建模

 

        蠕變

 

        高溫環(huán)境下，蠕變斷裂是渦輪葉片主要的失效形式之一。隨著渦輪后燃?xì)鉁囟葟?0世紀(jì)50年代的1150K增加到現(xiàn)在的2000K，蠕變將導(dǎo)致葉片的塑性變形過(guò)大甚至產(chǎn)生蠕變斷裂。

 

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的蠕變斷裂

 

        腐蝕

 

        腐蝕來(lái)自于葉片所受的高溫燃?xì)?。高溫燃?xì)鈱?duì)葉片的腐蝕既包括沖刷造成的腐蝕，也包括高溫燃?xì)鈱?duì)金屬葉片的氧化腐蝕。腐蝕會(huì)降低葉片的性能，當(dāng)腐蝕達(dá)到一定程度，葉片材料性能不能滿足要求時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷裂。

 

壓氣機(jī)葉片的嚴(yán)重腐蝕

        葉片的斷裂除此還和材料和制造手段有一定的關(guān)系，下面小編介紹一下葉片的材料和主要制造技術(shù)。

 

 

        1.變形高溫合金葉片

 

 

        1.1 葉片材料

 

        變形高溫合金發(fā)展有50多年的歷史，國(guó)內(nèi)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片常用變形高溫合金如表1所示。高溫合金中隨著鋁、鈦和鎢、鉬含量增加，材料性能持續(xù)提高，但熱加工性能下降；加入昂貴的合金元素鈷之后，可以改善材料的綜合性能和提高高溫組織的穩(wěn)定性。

 

        表1  國(guó)內(nèi)飛機(jī)葉片用高溫合金牌號(hào)及其工作溫度

 

 

        1.2 制造技術(shù)

 

        變形高溫合金葉片的生產(chǎn)是將熱軋棒經(jīng)過(guò)模鍛或輥壓成形的。模鍛葉片主要工藝如下：

 

        1）鐓鍛榫頭部位；

 

        2）換模具，模鍛葉身，通常分粗鍛、精鍛兩道工序。模鍛時(shí)，一般要在模腔內(nèi)壁噴涂硫化鉬，減少模具與材料接觸面阻力，以利于金屬變形流動(dòng)；

 

        3）精鍛件，機(jī)加工成成品；

        4）成品零件消應(yīng)力退火處理；

 

        5）表面拋光處理。分電解拋光、機(jī)械拋光兩種。

 

        常見(jiàn)問(wèn)題：

 

        1）鋼錠頭部切頭余量不足，中心亮條缺陷貫穿整個(gè)葉片；

 

        2）GH4049合金模鍛易出現(xiàn)鍛造裂紋；

 

        3）葉片電解拋光中，發(fā)生電解損傷，形成晶界腐蝕；

 

        4）GH4220合金生產(chǎn)的葉片，在試車中容易發(fā)生“掉晶”現(xiàn)象；這是在熱應(yīng)力反復(fù)作用下，導(dǎo)致晶粒松動(dòng)，直至剝落。

 

       葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件它的制造量占整機(jī)制造量的三分之一左右。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片屬于薄壁易變形零件。如何控制其變形并高效、高質(zhì)量地加工是目前葉片制造行業(yè)研究的重要課題之一。隨著數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，葉片制造工藝發(fā)生重大變化，采用精密數(shù)控加工技術(shù)加工的葉片精度高，制造周期短，國(guó)內(nèi)一般6～12個(gè)月（半精加工）；國(guó)外一般3~6個(gè)月（無(wú)余量加工）。

 

精密數(shù)控加工技術(shù)加工葉片

 

       2.鑄造高溫合金葉片

 

 

       2.1 葉片材料

 

       半個(gè)多世紀(jì)來(lái)，鑄造渦輪葉片的承溫能力從1940s年代的750℃左右提高到1990s年代的1700℃左右，應(yīng)該說(shuō)，這一巨大成就是葉片合金、鑄造工藝、葉片設(shè)計(jì)和加工以及表面涂層各方面共同發(fā)展所作出的共同貢獻(xiàn)。葉片用鑄造高溫合金如表2所示，圖11為鑄造高溫合金葉片。北京航空材料研究所、鋼鐵研究總院、沈陽(yáng)金屬所是鑄造高溫合金的研制單位。

表2 國(guó)內(nèi)葉片用鑄造高溫合金牌號(hào)及使用溫度

 

       2.2 制造技術(shù)

 

       研制新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)是鑄造高溫合金發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，而熔鑄工藝的不斷進(jìn)步則是鑄造高溫臺(tái)金發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)后盾?；仡欉^(guò)去的半個(gè)世紀(jì)，對(duì)于高溫合金發(fā)展起著重要作用的熔鑄工藝的革新有許多，而其中三個(gè)事件最為重要：真空熔煉技術(shù)的發(fā)明、熔模鑄造工藝的發(fā)展和定向凝固技術(shù)的崛起。

 

葉片熔鑄加工

       真空熔煉技術(shù)。真空熔煉可顯著降低高溫合盒中有害于力學(xué)性能的雜質(zhì)和氣體含量，而且可以精確控制合金成分。使合金性能穩(wěn)定。

 

       熔模鑄造工藝。國(guó)內(nèi)外熔模鑄造技術(shù)的發(fā)展使鑄造葉片不斷進(jìn)步，從最初的實(shí)心葉片到空心葉片，從有加工余量葉片到無(wú)余量葉片，再到定向（單晶）空心無(wú)余量葉片，葉片的外形和內(nèi)腔也越來(lái)越復(fù)雜；空心氣冷葉片的出現(xiàn)既減輕了葉片重量，又提高了葉片的承溫能力。

 

       美國(guó)Howmet公司等用于細(xì)晶鑄造制造葉片等轉(zhuǎn)動(dòng)件，常用合金為：In792、Mar-M247和In713C合金；導(dǎo)向葉片等靜止件則多用IN718C、PWA1472、Rene220、及R55合金。1990s年代之后，為滿足新型發(fā)動(dòng)機(jī)之需要，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬在合金成分設(shè)計(jì)和鑄造工藝過(guò)程中的應(yīng)用日趨增多。

 

 

       3.超塑性成形鈦合金葉片

 

 

       3.1 葉片材料

 

       目前，Ti6Al4V和Ti6Al2Sn4Zr2Mo及其他鈦合金，是超塑性成形葉片等最為常用的鈦合金。

 

    表3 葉片等旋轉(zhuǎn)件用鈦合金及其特點(diǎn)

 

       我國(guó)耐熱鈦合金開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面也落后于其他發(fā)達(dá)國(guó)家，英國(guó)的600℃高溫鈦合金IMI834已正式應(yīng)用于多種航空發(fā)動(dòng)機(jī)，美國(guó)的Ti-1100也開(kāi)始用于T55-712 改型發(fā)動(dòng)機(jī)，而我國(guó)用于制造壓氣機(jī)盤、葉片的高溫鈦合金尚正在研制當(dāng)中。其它像纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料、抗燃燒鈦合金、Ti-Al金屬間化合物等雖都立項(xiàng)開(kāi)展研究，但離實(shí)際應(yīng)用還有一個(gè)過(guò)程。

 

 

       3.2 制造技術(shù)

 

       早在1970s，鈦合金超塑性成形技術(shù)就在美國(guó)軍用飛機(jī)和歐洲協(xié)和飛機(jī)中得到了應(yīng)用。在隨后的十年中，又開(kāi)發(fā)了軍用飛機(jī)骨架和發(fā)動(dòng)機(jī)用新型超塑性鈦合金和鋁合金。在軍用飛機(jī)及先進(jìn)的民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等，均用超塑性成形技術(shù)制造，并采用擴(kuò)散連接組裝。

 

 

 

       4.新型材料葉片

 

 

       4.1 碳纖維/鈦合金復(fù)合材料葉片

 

       美國(guó)通用公司生產(chǎn)的GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)，葉身是碳纖維聚合物材料，葉片邊緣是鈦合金材料，共有渦扇葉片22片，單重30~50磅，總重2000磅。能夠提供最好的推重比，是目前最大的飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，用于波音777飛機(jī)，2010年9月在美國(guó)紐約現(xiàn)代藝術(shù)館展出。

 

 

 

       4.2 金屬間化合物葉片

 

       盡管高溫合金用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片已經(jīng)50多年了，這些材料有優(yōu)異的機(jī)械性能，材料研究人員，仍然在改進(jìn)其性能，使設(shè)計(jì)工程師能夠發(fā)展研制可在更高溫度下工作的、效率更高的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。不過(guò)，一種新型的金屬間化合物材料正在浮現(xiàn)，它有可能徹底替代高溫合金。

 

 

       這是因?yàn)楦邷睾辖鹪诟邷毓ぷ飨聲r(shí)會(huì)生成一種γ相，研究表明，這種相是使材料具有高溫強(qiáng)度、抗蠕變性能和耐高溫氧化的主要原因。因此，人們開(kāi)始了金屬間化合物材料的研究。金屬間化合物，密度只有高溫合金一半，至少可以用于低壓分段，用于取代高溫合金。

 

       NB-Si系化合物

       英國(guó)羅爾斯-羅伊斯公司，在1999年，申請(qǐng)了一項(xiàng)γ相鈦鋁金屬間化合物專利，該材料是由伯明翰大學(xué)承擔(dān)研制的。這種材料可以滿足未來(lái)軍用和民用發(fā)動(dòng)機(jī)性能目標(biāo)的要求，可以用于制造從壓縮機(jī)至燃燒室的部件，包括葉片。這種合金的牌號(hào)，由羅爾斯-羅伊斯公司定為： Ti-45-2-2-XD。

 

       2010年，美國(guó)通用公司、精密鑄件公司等申請(qǐng)了一項(xiàng)由NASA支持的航空工業(yè)技術(shù)項(xiàng)目（AITP），通過(guò)驗(yàn)證和評(píng)定鈦鋁金屬間化合物（TiAl，Ti-47Al-2Nb-2Cr，原子分?jǐn)?shù)）以及現(xiàn)在用于低壓渦輪葉片的高溫合金，使其投入工業(yè)生產(chǎn)中，如圖24所示為鋁化鈦金屬間化合物葉片（伽馬鈦合金）。與鎳基高溫合金相比，TiAl金屬間化合物的耐沖擊性能較差；將通過(guò)疲勞試驗(yàn)等，將技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)降至最低。