某轉子葉片選用鈦合金制造，該轉子葉片在腐蝕檢查時發現每批次有30%～40%數量的葉片表面存在腐蝕條帶，經理化分析判斷為鍛造過程產生的剪切帶細晶組織，如圖1 所示。通過解剖分析條帶區的化學成分、顯微硬度與基體無明顯差異；條帶區晶粒不具有明顯織構。由于無法量化其對葉片性能和壽命的影響，簡單的直接報廢處理無疑會造成周期變長和成本的巨大損失。葉片振動疲勞試驗是綜合考核產品使用性能的有效方法之一，因此，急需開展相關振動疲勞測試工作，確定斷裂產生的原因和斷口性質，為后續處理類似問題提供支撐。

圖1 帶有條帶痕跡的鈦合金葉片

試驗方法

振動疲勞檢測

選取某級葉片中含條帶葉片30 片，編號1 #～ 30 #分為A、B 兩組，每組各15 片分別進行振動疲勞檢測。A 組：含有一條貫穿條帶的葉片；B 組：含有一條未貫穿條帶的葉片。

熒光檢測

對振動疲勞有裂紋葉片進行熒光檢測，確定裂紋部位。

開裂葉片斷口分析

將振動疲勞有裂紋的葉片進行裂紋斷口分析。

試驗結果與分析

條帶葉片的振動疲勞檢測

采用榫頭固持狀態考核A 組、B 組的某級轉子葉片的1 ～3 階頻率，測量3 片葉片的一階彎曲振動應力分布，確定最大振動應力位置，最后考核A 組、B 組的某級轉子葉片一階模態下的中值振動疲勞壽命(榫頭開裂為無效葉片)。

圖2 夾緊力與固有頻率關系圖

⑴葉片固有頻率測試。葉片正式測頻之前先確定夾緊力矩大小，夾緊力矩的大小由試驗確定。夾緊力矩與固有頻率關系如圖2 所示，當試驗系統不變時，對葉片逐漸加大夾緊力矩(橫向頂緊葉片的螺栓的夾緊力矩)，葉片固有頻率值會逐漸升高，而當夾緊力加到某一定值時，固有頻率不再升高，此時的夾緊力矩即為葉片頻率測試的夾緊力矩。本次試驗夾緊力矩為60N.m。葉片固有頻率測試通過錘擊法，經過傳遞函數分析完成葉片1 ～3 階固有頻率測試。

⑵葉片應力分布。在一階彎曲頻率下測量葉片表面的應力分布，確定應力最大區域。應變片貼在振動應力較大的地方，即葉片葉盆的進、排氣邊緣，葉背的中部。本試驗應變片粘貼位置如圖3 所示。

將貼好應變片的葉片分別安裝到電磁振動臺上，調整振動臺的激振力大小，使之達到一彎共振狀態，記錄數據。應力分布試驗數據見表1(表中數據是對單片葉片最大值的歸一化值)，應力沿葉高分布曲線見圖4。由試驗數據和曲線均可看出，最大應力區域在葉背根部。

圖3 應變片粘貼位置示意圖

圖4 應力沿葉高分布曲線圖(2 號件)

表1 葉片應力分布試驗數據(相對值)

⑶葉片應力-幅值標定試驗。標定試驗為隨機抽取三件葉片，在葉背應力最大區域貼應變片，經過反復貼片對比，確定三件葉片的最大應力點均在9 #位置(葉背根部)，具體位置如圖5 所示。

圖5 標定試驗應變片粘貼位置示意圖

在一彎共振頻率下，調整振動臺的激振力，讀取不同激振力下葉尖的振動幅值(振動幅值測試精度為0.01mm)和應力值，利用最小二乘法進行直線擬合，經計算確定幅值與應力的對應關系。

⑷葉片中值疲勞強度考核試驗。采用升降法，完成A、B 兩組葉片中值疲勞強度考核試驗。根據相關公式，得到一條貫穿條帶葉片的中值疲勞極限值為490MPa；一條未貫穿條帶葉片的中值疲勞極限值為480MPa。

斷裂葉片熒光檢測結果

將A、B 兩組斷裂的葉片進行了熒光檢測，檢查結果見表2、表3。

振動疲勞試驗葉片斷口組織分析

⑴宏觀觀察。送檢的葉片在距排氣邊約6mm 處存在一條基本平行于排氣邊的貫穿性白色亮帶，從葉尖一直延伸到距緣板約15mm 后拐向排氣邊，最終消失在距緣板8mm 處，見圖6(a)中白色箭頭。

葉片裂紋發現在葉背中根部，為斜線狀，與緣板表面約成20°夾角，長約10mm，見圖6(a)中黑色箭頭，裂紋放大形貌見圖6(b)。

表2 A 組檢測結果

表3 B 組檢測結果

圖6 裂紋葉片宏觀形貌

⑵斷口觀察。將該葉片裂紋打開，觀察斷口宏觀及微觀形貌。裂紋斷口宏觀形貌如圖7 所示，從圖中可見，裂紋斷口平坦，顏色為暗灰色。斷口上有明顯的擴展弧線，擴展深度占整個斷口的約3/5。從弧線反向歸集，裂紋斷口起始于葉背表面。

將斷口放入掃描電鏡進一步放大觀察斷口形貌，相關圖片見圖8 ～圖11。

圖7 裂紋斷口宏觀形貌

圖8 斷口源區形貌

圖9 斷口源區放大形貌

從上述圖片可見，斷口上棱線明顯，起始于表面，為疲勞裂紋斷口，源區上存在多個疲勞源。斷口上未見冶金缺陷，側面未見加工缺陷。斷口擴展區上疲勞條帶形貌如圖10 所示，瞬斷區上韌窩形貌如圖11 所示。在斷口附近磨制金相試樣觀察組織，顯微組織如圖12 所示。

結論

⑴中值疲勞強度考核試驗按升降法完成，得到一條貫穿條帶葉片的一彎中值疲勞極限為490MPa，一條未貫穿條帶葉片的一彎中值疲勞極限為480MPa。

圖10 疲勞條帶形貌

圖11 斷口上瞬斷韌窩形貌

圖12 基體顯微組織形貌

⑵裂紋源于最大應力點處，與細晶低倍條帶無關，晶低倍條帶對葉片一階彎曲振動疲勞性能無影響。轉子葉片裂紋屬于疲勞斷裂，裂紋與亮條無位置關系，葉片裂紋位置無冶金缺陷和加工缺陷。

——文章來源：《鍛造與沖壓》2021年第5期