2018年4月17日，西南航空1380號航班（Southwest Airlines Flight 1380）的一架波音737型客機在巡航狀態(tài)時，突然發(fā)生發(fā)動機爆炸事故，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)動機發(fā)生了非包容性故障。

 

 

       航空事故歷史中，發(fā)動機葉片損壞而引發(fā)的飛機事故還真不少見

 

        2014年，我國南航CZ3739航班飛機引擎空中著火，事后調(diào)查顯示發(fā)生故障的發(fā)動機進口處，壓氣機風扇的葉片有斷裂。據(jù)推測，有可能是葉片斷掉后進入發(fā)動機內(nèi)，損傷發(fā)動機進氣流場，導(dǎo)致后者發(fā)生“畸變”，進而形成“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型客機在執(zhí)飛新奧爾良飛奧蘭多的航班時，同樣發(fā)生CFM56-7B型發(fā)動機的風扇葉片非包容性故障，所幸此次事故中客機安全降落，并無更為嚴重事故發(fā)生。

 

        其實據(jù)不完全統(tǒng)計，我國空軍現(xiàn)役飛行的發(fā)動機事故中，80%都跟發(fā)動機葉片斷裂失效有關(guān)。而這么嬌貴的部分一旦發(fā)生斷裂失效，對發(fā)動機乃至整個飛機的損害往往是致命性的。

 

        可見，發(fā)動機葉片斷裂不容小覷，那么今天小編就帶領(lǐng)大家全方位認識一下發(fā)動機葉片的斷裂，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理有疲勞、超應(yīng)力、蠕變、腐蝕、磨損等。

 

 

        疲勞

 

        發(fā)動機工作時，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。

渦輪發(fā)動機葉片根部疲勞裂紋擴展

 

        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)計中往往會采取一系列措施加以避免，但實際上，超應(yīng)力仍然是造成渦輪葉片斷裂的一個原因。

 

發(fā)動機葉片中應(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。隨著渦輪后燃氣溫度從20世紀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。

 

發(fā)動機葉片的蠕變斷裂

 

        腐蝕

 

        腐蝕來自于葉片所受的高溫燃氣。高溫燃氣對葉片的腐蝕既包括沖刷造成的腐蝕，也包括高溫燃氣對金屬葉片的氧化腐蝕。腐蝕會降低葉片的性能，當腐蝕達到一定程度，葉片材料性能不能滿足要求時，就會發(fā)生斷裂。

 

壓氣機葉片的嚴重腐蝕

        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，國內(nèi)飛機發(fā)動機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  國內(nèi)飛機葉片用高溫合金牌號及其工作溫度

 

 

        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，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；

 

        3）精鍛件，機加工成成品；

        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、機械拋光兩種。

 

        常見問題：

 

        1）鋼錠頭部切頭余量不足，中心亮條缺陷貫穿整個葉片；

 

        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，直至剝落。

 

       葉片是航空發(fā)動機關(guān)鍵零件它的制造量占整機制造量的三分之一左右。航空發(fā)動機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個月（半精加工）；國外一般3~6個月（無余量加工）。

 

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

 

       半個多世紀來，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。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、沈陽金屬所是鑄造高溫合金的研制單位。

表2 國內(nèi)葉片用鑄造高溫合金牌號及使用溫度

 

       2.2 制造技術(shù)

 

       研制新型航空發(fā)動機是鑄造高溫合金發(fā)展的強大動力，而熔鑄工藝的不斷進步則是鑄造高溫臺金發(fā)展的堅強后盾。回顧過去的半個世紀，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步，從最初的實心葉片到空心葉片，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。

 

       美國Howmet公司等用于細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)動機之需要，計算機數(shù)值模擬在合金成分設(shè)計和鑄造工藝過程中的應(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

 

       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，美國的Ti-1100也開始用于T55-712 改型發(fā)動機，而我國用于制造壓氣機盤、葉片的高溫鈦合金尚正在研制當中。其它像纖維增強鈦基復(fù)合材料、抗燃燒鈦合金、Ti-Al金屬間化合物等雖都立項開展研究，但離實際應(yīng)用還有一個過程。

 

 

       3.2 制造技術(shù)

 

       早在1970s，鈦合金超塑性成形技術(shù)就在美國軍用飛機和歐洲協(xié)和飛機中得到了應(yīng)用。在隨后的十年中，又開發(fā)了軍用飛機骨架和發(fā)動機用新型超塑性鈦合金和鋁合金。在軍用飛機及先進的民用渦扇發(fā)動機葉片等，均用超塑性成形技術(shù)制造，并采用擴散連接組裝。

 

 

 

       4.新型材料葉片

 

 

       4.1 碳纖維/鈦合金復(fù)合材料葉片

 

       美國通用公司生產(chǎn)的GE90-115B發(fā)動機，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，是目前最大的飛機噴氣發(fā)動機葉片，用于波音777飛機，2010年9月在美國紐約現(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發(fā)動機葉片已經(jīng)50多年了，這些材料有優(yōu)異的機械性能，材料研究人員，仍然在改進其性能，使設(shè)計工程師能夠發(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。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。

 

 

       這是因為高溫合金在高溫工作下時會生成一種γ相，研究表明，這種相是使材料具有高溫強度、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。

 

       NB-Si系化合物

       英國羅爾斯-羅伊斯公司，在1999年，申請了一項γ相鈦鋁金屬間化合物專利，該材料是由伯明翰大學承擔研制的。這種材料可以滿足未來軍用和民用發(fā)動機性能目標的要求，可以用于制造從壓縮機至燃燒室的部件，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由NASA支持的航空工業(yè)技術(shù)項目（AITP），通過驗證和評定鈦鋁金屬間化合物（TiAl，Ti-47Al-2Nb-2Cr，原子分數(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；將通過疲勞試驗等，將技術(shù)風險降至最低。