航空发动机叶片断裂，疲劳、蠕变、磨损、腐蚀，谁是罪魁祸首？

2018年4月，波音737空中引擎爆炸

据不完全统计，我国空军现役飞行的发动机事故中，80%都跟发动机叶片断裂失效有关。而这么娇贵的部分一旦发生断裂失效，对发动机乃至整个飞机的损害往往是致命性的。

叶片的加工精度和质量对航空发机的效率和性能以及安全可靠性都有直接的影响。但在叶片实际加工过程中，在多种加工因素的影响下，很容易出现加工变形、断裂、疲劳等问题。

叶片的故障机理

从理论上看，涡轮叶片断裂的故障机理有疲劳、超应力、蠕变、腐蚀、磨损等。

疲劳

发动机工作时，由于经常起动、加速、减速、停车以及其他条件的影响，会使涡轮各部件承受复杂的循环载荷作用，使得叶片经受大量弹性应力循环，最终引起高周疲劳、低周疲劳或热疲劳，使得涡轮叶片断裂。

涡轮发动机叶片根部疲劳裂纹扩展

超应力

涡轮叶片由于其形状的不规则，叶片中存在应力集中部位。尽管在设计中往往会采取一系列措施加以避免，但实际上，超应力仍然是造成涡轮叶片断裂的一个原因。

发动机叶片中应力分布建模

蠕变

高温环境下，蠕变断裂是涡轮叶片主要的失效形式之一。随着涡轮后燃气温度从20世纪50年代的1150K增加到现在的2000K，蠕变将导致叶片的塑性变形过大甚至产生蠕变断裂。

发动机叶片的蠕变断裂

腐蚀

腐蚀来自于叶片所受的高温燃气。高温燃气对叶片的腐蚀既包括冲刷造成的腐蚀，也包括高温燃气对金属叶片的氧化腐蚀。腐蚀会降低叶片的性能，当腐蚀达到一定程度，叶片材料性能不能满足要求时，就会发生断裂。

压气机叶片的严重腐蚀

叶片加工变形控制方法

叶片是航空发动机关键零件它的制造量占整机制造量的三分之一左右。航空发动机叶片属于薄壁易变形零件。如何控制其变形并高效、高质量地加工是目前叶片制造行业研究的重要课题之一。

按照变形的形成机理，可以将叶片的加工变形分为3 种类型：

·(1)叶片受切削力作用而导致的变形，也称为“让刀”变形；

·(2)因过定位支撑和装夹误差引起的变形；

·(3)因加工表面残余应力而引起的变形。

针对不同的变形原因，通常采用不同方法进行变形控制。

装夹方式优化

为提高叶片的刚性，通过对叶片加工变形量进行模拟，找出叶片加工中的最大应力部分变形区段，通过对相关区段进行定位装夹或辅助支撑，间接提高叶片的刚性，在减小航空发动机叶片在装夹力作用下所产生变形的同时增强叶片的抗变形能力，从而达到减小叶片受力变形提高精度的效果。

另一方面采用低熔点材料，将融化的低熔点合金浇灌在叶片型面的四周，对其进行辅助支撑。航空发动机叶片加工的几何精度和型面精度要求越来越高，通过应用5轴加工中心将有助于提高航空发动机叶片的加工精度，通过5轴加工中心实现一体化成型，减少多次装夹所带来的误差。

工艺及加工参数优化

在切削加工中，提高刀具的转速和进给速度能够有效地提高叶片加工表面的光洁度和表面质量。铣削加工时由于切屑在较短时间内被切除，绝大部分切削热被切屑带走，减少了工件的热变形；其次，在加工中，由于切削层材料软化部分的减少，也可减少零件加工的变形，有利于保证零件的尺寸、形状精度。

另外，切削液的使用将能够有效减少切削过程中的摩擦和降低切削温度，减少叶片内部的热应力。合理使用切削液对提高刀具的耐用度和加工表面质量、加工精度具有重要作用。在切削液选用的过程中需要综合考虑切削液的特性、叶片的材质以及加工中热量和切屑的多少，从而合理确定切削液的流量。因此，在加工中为防止零件变形必须合理使用充分的切削液。

利用加工余量分配调整加工工艺，增强叶片加工刚性，通过工艺手段使刚性增强也是控制叶片加工变形的有效手段之一。

叶片加工变形预测与补偿

叶片的变形预测前提是需要对航空发动机叶片机械加工过程中叶片的受力建立模型，并计算叶片在机械加工过程中的弹性变形量，通过将其与机械加工过程中刀具的运动轨迹进行对比，模型与刀具轨迹之间的差量就是有准确的锻件预测变形模型，并在模拟计算的基础上，根据叶片的具体结构给出反变形量，通过直接将这些差量补偿进叶片的毛坯件中，可有效地解决叶片等复杂曲面锻件加工余量不足，不均匀的问题。

航空发动机叶片误差补偿加工也是一种基于反变形的思想，针对叶片在数控加工过程中出现的变形问题，通过对叶片切削力建模和叶片表层残余应力分布规律，结合刀具的运动轨迹与叶片表层残余应力的分布规律来制定叶片机械加工中的误差补偿方案，叶片补偿加工是作用于机械加工工艺参数的加工方式，同时也是目前应用较为广泛的叶片综合变形控制方式。

叶片加工中的多次误差补偿通过在单次补偿试切的基础上，综合考虑前次补偿引起的再生变形，对叶片的变形补偿量模型进行多次反复修正迭代，通过这一个过程，不断的缩小叶片加工误差，直到叶片加工精度满足相关精度要求。通过在叶片机械加工中进行多次误差补偿加工，不仅能够大大地提高加工精度，改善曲面加工质量，减少叶片的加工废品率，还能够在一定程度上提升叶片的加工效率。总体来说叶片补偿加工能够达到补偿叶片加工变形的目的。

采用超硬磨料砂轮高速磨削加工

现在航空发动机普遍采用钛合金和镍基高温合金，其材质具有较强的耐高温、耐磨削的性能。现代超硬磨削技术所采用的磨料砂轮能够有效的作用于叶片表面，通过磨削的方式完成叶片的加工。高速磨削加工方式具有磨削能力强，耐磨性好，耐用度高，磨削力小，磨削温度低等的特点，磨削应力小、温度低能够有效减少作用于叶片机械应力和热应力，减少叶片的形变。同时磨削加工内应力小，无烧伤、裂纹等缺陷，能够有效的提升叶片表面的加工质量，是一种能够很好地适应发动机高性能叶片精密加工的需要的加工技术。

超高速磨削可以对硬脆材料实现延性域磨削加工，而且对钛合金、镍基耐热合金等难磨材料也有良好的磨削表现。改善工件表面硬化程度和减小表面粗糙度值，改善表面完整性，因此超高速磨削显示出极大的先进性和优越性，需要加强对于超高速磨削技术的研究与应用，从而使得其在叶片加工领域中发挥出更大的作用。

文献参考：

《航空发动机叶片加工变形控制方法》 作者：李杨；李翊萌

声明：来源于应力与变形控制