大型铝合金风机叶片断裂原因

左玉婷, 杜风贞, 张丽民, 夏 雯, 刘淑凤

(1.国合通用测试评价认证股份公司，北京 100088；2.国标(北京)检验认证有限公司，北京 100088)

地铁风机为地铁站的重要通风设备。某地铁隧道轴流风机叶片在工作中发生了多起断裂事故，导致风机函道内非驱动端一侧锥形环发生脱焊并被扯断，机壳多处破损，轴流风机地脚减振垫发生移动，软连接处破损撕裂；该风机周围的设备也受到了不同程度的撞击，事故现场破坏严重，如图1所示。该风机主要负责列车运行前的隧道送风工作，兼顾隧道排烟。该风机服役6 a发生了断裂，正常情况下地铁风机可使用10 a以上[1-6]，该风机属于早期失效。

图1 风机叶片断裂事故现场

该风机叶片材料为高强度低压铸铝合金(ZL114A)。为避免此类事故再次发生，作者对风机叶片的碎片进行拼接，观察并统计了叶片的表面伤痕，同时对碎片进行了宏观分析、微观分析、能谱分析、化学成分分析、力学性能测试、组织结构分析，以找到叶片的断裂原因。

1 理化检验

1.1 宏观形貌

通过断口痕迹和形状比对将所有风机叶片碎片拼接成较完整的原始叶片，编号为1～14。通过比对每个叶片根部的原始生产批号刻痕，还原叶片在风机中的位置次序，如图2所示。分别观察并统计每个叶片碎片的数量、完整度，碎片表面及侧面的冲击、擦伤、划伤痕迹以及叶片断口特点、缺陷。结果发现：9号叶片的碎片数量最多，为16片，其次是3，10，4，8号叶片；同时发现4～7号叶片碎片的断口均存在夹渣缺陷，其中，5号叶片碎片存在多处夹渣，总面积为5.25 cm2。

图2 风机叶片拼接后还原的位置图

由图3可以看出：5，9，10号叶片根部断口均存在亮白色区域，尺寸分别为6.5 cm×1.4 cm、6.5 cm×1.4 cm、6.7 cm×1.3 cm；5号叶片表面无严重冲击痕迹，表面擦伤不严重，断口存在大块夹渣；9号叶片碎片拼接较完整，仅在靠近根部区域缺失尺寸约6 cm×12 cm的大碎片，整个叶片表面、顶部及顶部侧面擦伤非常严重；10号叶片为碎片缺失最严重的叶片，缺失总面积为300 cm2。

图3 碎片拼接后得到的不同叶片的表面及断口宏观形貌

1.2 断口微观形貌

采用JSM-6510型扫描电镜(SEM)观察叶片断口微观形貌，发现各个叶片的大部分断口均较平，呈冲击脆性断裂特征，部分叶片断口存在明显的夹渣。由图4可以看出，10号叶片断口呈脆性解理断裂形貌，为冲击断裂特征。

图4 10号叶片断口SEM形貌

由图5可以看出，5号叶片断口较亮，呈褶皱形貌，经能谱分析可知，断口上夹渣的氧元素含量较高，结合褶皱的形貌推断该夹渣为氧化皮夹渣。

由图6可以看出：5号叶片根部断口分为3个区域，图6a)箭头汇聚处为靠近表面的疲劳裂纹源区，亮白色的发散区域为疲劳裂纹扩展区，发暗的粗糙区域为瞬断区；裂纹源区存在长为1.6 mm的夹渣，形貌与图5中观察到的氧化皮夹渣的褶皱形貌相似，判断该叶片的裂纹起源于靠近表面区域的氧化皮夹渣；裂纹扩展区可以清晰地看到互相平行的、与裂纹扩展方向垂直的疲劳条纹，判断该叶片的断口为疲劳断口，疲劳条纹密集，且间距较小，说明该疲劳断口为低应力高周疲劳断口。9，10号叶片的根部断口观察结果与5号的类似，裂纹均起源于近表面的夹渣缺陷处。

图5 5号叶片断口SEM形貌及夹渣的能谱分析结果

图6 5号叶片根部断口SEM形貌

1.3 化学成分

为了检验铝合金风机叶片材料的化学成分，分别取5，14号叶片进行分析。

由表1可以看出，除铁元素外，其他元素的含量均符合GB/T 1173—2013《铸造铝合金》对ZL114A铝合金的要求。14号叶片铁元素质量分数为0.5%，超出标准(小于0.2%)规定的1.5倍，5号叶片铁元素质量分数为0.73%，超出标准规定的2.6倍。

表1 5，14号叶片的化学成分(质量分数)

1.4 力学性能

表2为5，14号铝合金风机叶片的室温拉伸性能及布氏硬度测试结果。力学性能试样是从叶片上直接切取的尺寸为φ5 mm的圆棒试样。由表2可知，两个叶片的抗拉强度、断后伸长率均满足GB/T 9438—2013《铝合金铸件》规定的抗拉强度不低于单铸试样的75%、断后伸长率不低于单铸试样的50%的要求。而布氏硬度均满足标准不低于95 HB的要求。因此，失效叶片的室温拉伸性能及硬度均符合要求。

表2 5，14号叶片的力学性能测试结果

1.5 显微组织

为了确定铝合金叶片的微观组织是否合格，取5号叶片进行了金相检验、扫描电镜(SEM)分析及低倍缺陷检验。

图7和图8所示分别为5号叶片横截面试样的显微组织及SEM形貌。由图7可以看出，5号叶片截面显微组织为典型的铸造铝硅合金的枝晶组织，α枝晶与共晶体分布均匀，共晶硅呈点状或蠕虫状，说明该铝硅合金变质处理正常。由图8可见，合金组织中含有大量长针状的AlFeSi相。

图7 5号叶片横截面显微组织

图8 5号叶片横截面SEM形貌

根据GB/T 3246.2-2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法 第2部分：低倍组织检验方法》的技术要求，在10号叶片根部断口附近取样进行低倍缺陷检验，金相显微镜和扫描电镜下的疏松缺陷形貌如图9所示，可见该叶片疏松严重，依照标准评为4级疏松，这种大量疏松及脆性相在材料受力过程中容易引起应力集中，从而降低材料的强度及塑性。

图9 10号叶片在金相显微镜和SEM下的疏松缺陷形貌

1.6 X射线探伤

由断口及金相检验结果可知，断裂叶片存在夹渣及疏松缺陷，为进一步确定叶片的内部质量，根据GB/T 9438—2013的技术要求采用MU2000-D XL型X射线实时成像检查系统对风机叶片进行X射线无损探伤。依据标准的分类规定，该风机叶片的内部质量应符合标准中对Ⅱ类铸件的要求。用X射线照相法分别检验了5,9,10号叶片根部轴头和部件内部的针孔、气孔、疏松等情况，并进行了评级。结果如表3所示，可见3个叶片不同部位缺陷评级情况相同，叶片中主要缺陷为针孔缺陷，根部轴头区域长形针孔缺陷达到6级，叶片部件区域圆形或长形针孔缺陷为3级，且两个区域的针孔缺陷均均匀分布。由于失效叶片受到多处冲击，因此无法判断10号叶片的裂纹是材料原始的裂纹还是由于机械碰撞产生的。值得注意的是，在探伤结果中未发现大量的夹渣，而从叶片断口的宏观分析中发现了多处大小为2 cm的夹渣，判断是由于X射线照相法检测夹渣时只能区分与基体成分密度相差较大的高密度或低密度夹渣，而当夹渣为氧化皮夹渣时，密度与基体差别不大，因此不易检出，同时夹渣厚薄以及夹渣与检验面所成的角度都会影响X射线照相法对夹渣的检验结果。

表3 断裂叶片根部断口周围的内部缺陷评级结果

由X射线探伤结果可知，断裂叶片根部轴头区域长形针孔缺陷达6级，超出标准规定的2级，因此可以判断该叶片根部轴头区域内部质量不符合GB/T 9438—2013的要求。

2 分析与讨论

叶片的化学成分分析结果表明，杂质铁元素超出GB/T 1173—2013规定范围的2.6倍，将严重降低叶片的韧性。根据SEM分析结果可知，断裂风机叶片中铝硅合金变质处理正常，但组织中含有大量的针状及鱼骨状的AlFeSi相，这种杂质相容易增大材料的脆性，降低断后伸长率。由低倍检验结果可知，该断裂叶片存在4级疏松，这种严重的疏松缺陷在材料受力过程中容易引起应力集中，从而降低材料的强度及塑性。由X射线探伤结果可知，失效叶片根部轴头区域长形针孔缺陷达6级，超出标准规定的2级的要求，因此可以判断该叶片根部轴头区域内部质量不符合GB/T 9438—2013的要求。由断口分析结果可知，5，9，10号叶片根部断口为低应力高周疲劳断口，其余断口均为快速冲击断口。而5，10号叶片根部疲劳裂纹源位于靠近表面的氧化皮夹渣处，9号叶片根部疲劳裂纹源位于靠近表面的疏松缺陷处；同时在断口中发现叶片存在粗大的氧化皮夹渣，5号叶片断口单个夹渣尺寸为2 cm，夹渣总面积为2.5 cm2。夹渣的存在严重降低了叶片的断裂性能。

由叶片的宏观分析结果可知，各叶片表面(不包含侧面)均未见较深的冲击凹坑，排除外来异物进入与叶片发生撞击导致断裂的可能性。由于首先发生断裂的叶片在离心力的作用下其碎片可能与其他仍在高速旋转的叶片发生碰撞，而导致更加严重的破碎，因此首断叶片的破碎程度可能较高。而发生疲劳断裂的叶片，可能是最先发生断裂的叶片，除5，9，10号叶片根部断口为疲劳断口外，其余断口均为快速冲击断口，因此这3个叶片最先发生断裂的可能性较大。可以推断，由于5，9，10号风机叶片根部发生疲劳断裂，这3个叶片中一个首先发生疲劳断裂，碎片撞击锥形环导致锥形环脱焊掉落，并冲击其余叶片，同时叶片碎片也在风机风筒内撞击筒壁及其他完好叶片而成为碎片，最终导致整个风机叶片全部断裂。3个叶片断口的疲劳区面积相当，说明其发生疲劳的开始时间大致接近。其中，由于9号叶片侧面存在与锥形环的冲击凹坑，说明9号叶片未发生断裂时锥形环已经断裂，部分掉落，因此9号叶片不是首断件，5，10号叶片可能为首断件。而9号叶片碎片的数量最多、表面划伤最严重，说明9号叶片较早发生断裂，破碎较严重。从叶片的排列顺序可知，9号叶片与10号叶片为相邻的叶片，两者之一发生断裂，极易造成周围的另一个叶片发生断裂，而成为较早发生断裂的叶片。因此10号叶片为首断件的可能性较大。由于10，5，9号叶片均为疲劳断裂，说明在风机发生失效前一段时间，叶片已经存在巨大的断裂隐患，即使没有异物的冲击，叶片最终也将在疲劳扩展到临界值时而发生快速断裂，至于哪一个叶片首先断裂，已经不是最为重要的问题[7-11]。

3 结论及建议

铝合金风机叶片的断裂原因是叶片内部存在大量粗大的氧化皮夹渣以及疏松、针孔缺陷，而叶片根部区域是叶片应力集中区域，此处若存在一定尺寸的缺陷，最容易萌生疲劳裂纹。在离心力和气动力的作用下，叶片根部将承受拉力、弯曲和扭转作用力，一旦叶片根部萌生疲劳裂纹，疲劳裂纹会在这种复合应力的作用下发生扩展，最终导致叶片快速断裂。

建议按照标准要求对叶片的化学成分、力学性能、显微组织及铸造缺陷等进行检验，提高叶片冶金质量，提高叶片使用的可靠性。针对已投入使用的风机叶片，通过宏观分析或采用探伤的方法检查叶片是否存在疲劳裂纹，排除潜在隐患，减少事故的发生，降低损失。载荷也是影响材料疲劳断裂的主要因素，应考虑风机整个管网设计是否合理，风机运行时载荷是否过大，再进行设计校核计算，防止过载运行。