航空發(fā)動機(jī)葉片斷裂破壞力驚人！疲勞、超應(yīng)力、蠕變、磨損、材料還是腐蝕所致？
——聚焦西南航空引擎事件
2018年4月17日，西南航空1380號航班（SouthwestAirlines 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)動機(jī)發(fā)生了非包容性故障。
2013年7月22日，美國西南航空公司一架客機(jī)在著陸時(shí)機(jī)頭觸地，機(jī)上150多人有16人輕傷。
航空事故歷史中，發(fā)動機(jī)葉片損壞而引發(fā)的飛機(jī)事故還真不少見。2014年，我國南航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)動機(jī)進(jìn)口處，壓氣機(jī)風(fēng)扇的葉片有斷裂。據(jù)推測，有可能是葉片斷掉后進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)，損傷發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流場，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，并無更為嚴(yán)重事故發(fā)生。
2021年4月，波音737空中引擎爆炸
其實(shí)據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國空軍現(xiàn)役飛行的發(fā)動機(jī)事故中，80%都跟發(fā)動機(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，對發(fā)動機(jī)乃至整個(gè)飛機(jī)的損害往往是致命性的。可見，發(fā)動機(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)識一下發(fā)動機(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)動機(jī)工作時(shí)，由于經(jīng)常起動、加速、減速、停車以及其他條件的影響，會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。
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)動機(jī)葉片蠕變斷裂
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?/span>20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大甚至產(chǎn)生蠕變斷裂。
高溫合金蠕變斷口，來源小木蟲
腐蝕。腐蝕來自于葉片所受的高溫燃?xì)狻８邷厝細(xì)鈱θ~片的腐蝕既包括沖刷造成的腐蝕，也包括高溫燃?xì)鈱饘偃~片的氧化腐蝕。腐蝕會降低葉片的性能，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)，就會發(fā)生斷裂。
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)。變形高溫合金葉片
葉片材料。變形高溫合金發(fā)展有50多年的歷史，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。
高溫合金葉片
制造技術(shù)。變形高溫合金葉片的生產(chǎn)是將熱軋棒經(jīng)過模鍛或輥壓成形的。模鍛葉片主要工藝如下：鐓鍛榫頭部位；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；精鍛件，機(jī)加工成成品；成品零件消應(yīng)力退火處理；表面拋光處理。分電解拋光、機(jī)械拋光兩種。
常見問題：鋼錠頭部切頭余量不足，中心亮條缺陷貫穿整個(gè)葉片；GH4049合金模鍛易出現(xiàn)鍛造裂紋；葉片電解拋光中，發(fā)生電解損傷，形成晶界腐蝕；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，直至剝落。
發(fā)動機(jī)葉片嚴(yán)重腐蝕
葉片是航空發(fā)動機(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，國內(nèi)一般6～12個(gè)月（半精加工）；國外一般3~6個(gè)月（無余量加工）。
精密數(shù)控加工技術(shù)加工葉片。鑄造高溫合金葉片。葉片材料。半個(gè)多世紀(jì)來，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，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)展所做出的共同貢獻(xiàn)。
鑄造高溫合金葉片。制造技術(shù)。研制新型航空發(fā)動機(jī)是鑄造高溫合金發(fā)展的強(qiáng)大動力，而熔鑄工藝的不斷進(jìn)步則是鑄造高溫臺金發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)后盾。回顧過去的半個(gè)世紀(jì)，對于高溫合金發(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余量葉片，再到定向(單晶)空心無余量葉片，葉片的外形和內(nèi)腔也越來越復(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。
熔模鑄造渦輪葉片。美國Howmet公司等用于細(xì)晶鑄造制造葉片等轉(zhuǎn)動件，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)和鑄造工藝過程中的應(yīng)用日趨增多。
超塑性成形鈦合金葉片。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。
我國耐熱鈦合金開發(fā)和應(yīng)用方面也落后于其他發(fā)達(dá)國家，英國的600℃高溫鈦合金IMI834已正式應(yīng)用于多種航空發(fā)動機(jī)，美國的Ti-1100也開始用于T55-712 改型發(fā)動機(jī)，而我國用于制造壓氣機(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)開展研究，但離實(shí)際應(yīng)用還有一個(gè)過程。
制造技術(shù)。早在1970s，鈦合金超塑性成形技術(shù)就在美國軍用飛機(jī)和歐洲協(xié)和飛機(jī)中得到了應(yīng)用。在隨后的十年中，又開發(fā)了軍用飛機(jī)骨架和發(fā)動機(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。
新型材料葉片。碳纖維/鈦合金復(fù)合材料葉片。美國通用公司生產(chǎn)的GE90-115B發(fā)動機(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)動機(jī)葉片，用于波音777飛機(jī)，2010年9月在美國紐約現(xiàn)代藝術(shù)館展出。
金屬間化合物葉片。盡管高溫合金用于飛機(jī)發(fā)動機(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)動機(jī)。不過，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。
金屬件化合物的規(guī)則重復(fù)的圖案。這是因?yàn)楦邷睾辖鹪诟邷毓ぷ飨聲r(shí)會生成一種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。
英國羅爾斯-羅伊斯公司，在1999年，申請了一項(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軍用和民用發(fā)動機(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，由羅爾斯-羅伊斯公司定為: Ti-45-2-2-XD。
2010年，美國通用公司、精密鑄件公司等申請了一項(xiàng)由NASA支持的航空工業(yè)技術(shù)項(xiàng)目（AITP），通過驗(yàn)證和評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，上圖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；將通過疲勞試驗(yàn)等，將技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)降至最低。
來源：金屬材料與科技
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