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随着航空发动机涡轮级数的减小，单级涡轮的能量转换越来越大，工作叶片的叶型剖面曲率大，叶身厚，即折转较大，气流速度大，叶身气动力大。部分涡轮叶片叶身内部有冷却空气通道，通过对流、气膜、冲击等冷却技术降低工作叶片温度，冷却气流对叶片形成包裹保护，降低了叶片的故障率。

高温、高转速和高压的工作环境产生离心负荷、气动负荷、热负荷以及振动负荷等，叶片承受很大的离心力和气动力作用，产生拉伸应力与弯曲应力等。涡轮叶片承受的离心力与转速的平方呈正比，转速越高，离心力越大，拉应力越大。叶片在高温燃气包围下工作承受很高的热负荷。

金属材料的强度随温度的升高而降低，其材料强度显著降低。高温状态下，容易使叶片产生高温蠕变，燃气中的杂质对叶片有一定的腐蚀作用。

燃烧室各燃油喷嘴的喷油量、喷射速度和均匀度，导致涡轮前燃气温度和压力分布并不均匀。温度分布的不同导致了叶片上的温差应力，高速燃气流的脉冲作用引起燃气作用在涡轮叶片上的热应力各不相同。涡轮旋转，涡轮叶片受到燃气的交变热应力和振动应力作用，导致叶片内部产生附加应力，易使叶片疲劳而失效。发动机启动或停车使叶片上的温度剧烈变化，造成叶片的热疲劳。

发动机超温易引起涡轮等热端部件过热、烧伤，导致材料内部结构晶粒粗大或晶粒边界出现氧化及熔化，引起材料的塑性、冲击韧度、疲劳性能、断裂韧度和抗腐蚀能力下降。尤其是发动机启动时，各部件都是冷态，若温度上升过快，可引发涡轮出口温度过高或尾喷管喷火，短时间的超温和喷火也可能引起涡轮导向器和转子叶片的烧蚀、裂纹、断裂等故障。掺混孔位置的改变和各气膜孔的流量不同，导致气流结构、燃油浓度场和燃气温度场的变化，引起燃烧室出口燃气温度的变化，也会使涡轮叶片局部超温而烧蚀。

7.1.2　涡轮转子叶片的常见故障及修理

涡轮叶片的常见故障有裂纹、表面损伤、防护层损伤、擦伤、磨损、腐蚀和过热等。

涡轮转子叶片有裂纹，一般以换新件为主。某型发动机高压涡轮转子叶片叶尖裂纹故障，允许采用高钨、锰含量的镍基超合金作为补焊材料，用固体激光脉冲焊填充修复。焊前将叶片叶尖浸入有机溶剂用超声波清洗，用镍基高温合金用微弧火花在整个补焊区预置涂层，使激光可能达到的作用区被完全保护起来。填焊时为防止焊料堵塞气孔，补焊区应留有足够的打磨余量。焊后将补焊区打磨成规定型面，超声冲击去除补焊区应力，荧光检查是否有裂纹，对叶片做焊后性能恢复热处理。由于叶片叶尖存在氧化腐蚀、组织衰变，要彻底消除裂纹，就要消除腐蚀层和组织衰变层，但又不能使基材损伤过大，因此焊接开口大小要合适。

叶片的表面损伤主要包括表面硬化、砂眼和外来物打伤。图2-7-1所示为叶片进气边被外来物打伤，产生凹坑；若打伤超过一定深度，更换新叶片。叶片表面有硬化痕迹时，与标准件对比，符合要求可用；不符合要求时，用什锦锉锉修硬化痕迹至圆滑过渡，把叶片装上涡轮盘，如果周向叶片间隙合格，则可用。叶片距进排气边大于一定距离不允许出现砂眼，超过一定距离时允许存在深度浅、不超过叶身厚度的1/3、直径不大于规定值且数量不大于一定数量的砂眼，叶片不允许有重合的铸造砂眼，不合格时更换。叶片表面的轻微打伤、划痕，研磨抛光修理。

叶片表面允许存在轻微的表面防护层变色或褪色，有明显的掉皮和掉块时补防护层。叶片常见的防护层是防护漆、渗元层和涂层，图2-7-2所示为涡轮叶片的表面防护层脱落。

叶片在离心力、热应力的作用下被拉长，使叶尖、叶冠封严齿与封严装置摩擦，擦伤叶尖或叶冠封严齿。叶尖擦伤时，剥离内、外部防护涂层，焊修叶尖，检查内部裂纹，重新喷涂，涡轮叶片内部的典型结构如图2-7-3所示，叶尖擦伤焊接修复如图2-7-4所示。检查叶片的冷气流量，冷气孔流道面积不合格时，钎焊减小孔径，焊接完成后检查冷气孔流量，如图2-7-5所示。

叶片的磨损主要是叶冠封严齿、叶冠减振工作面、榫头两侧和表面腐蚀磨损。叶片的磨损主要是叶冠封严齿和叶尖。叶冠封严齿磨损、烧蚀时，允许焊接修复，如图2-7-6所示。榫齿表面有接触和磨损痕迹时，与标准件对比，符合要求可用；不符合要求时停修。转子叶片叶冠锯齿形结合面磨损如图2-7-7所示，电镀修理恢复尺寸。

高温燃气具有强烈的腐蚀性，易使叶片表面出现麻坑，表面质量下降，进而降低涡轮的气动效率和表面性能，如图2-7-8所示。麻坑还可能成为叶片的疲劳源，叶片表面有轻微麻点时，抛光排除。合金钢叶冠表面防护层脱落后，表面产生锈蚀，如图2-7-9　所示。

发动机超转或超温时可能导致叶片过热，应检查叶片的过热情况，使用硬度计测试表面硬度是否合格。允许叶片表面存在轻微的过热，严重过热时涂层烧坏、烧伤、烧蚀、烧熔甚至烧裂，如图2-7-10所示，严重过热则更换全级叶片。

7.1.3　叶片的振动和热疲劳损伤故障

叶片的振动不可避免，叶片的振动疲劳应力是叶片产生裂纹的主要因素。涡轮叶片与压气机叶片的工作条件不同，振动的原因和振动故障现象也不同。涡轮叶片在高温燃气的包围下工作，高温使叶片的性能降低，同时由于涡轮叶片在设计时留有的安全系数较小，叶片的振动应力易造成疲劳裂纹或折断。叶片的横向裂纹和过热烧蚀裂纹是涡轮叶片的常见故障。

1.涡轮叶片的振动疲劳裂纹

振动疲劳损伤故障属于涡轮叶片的常见故障之一，如某发动机一级、二级涡轮叶片发生叶身疲劳裂纹、榫齿间疲劳裂纹和导向器疲劳裂纹，严重的使叶片折断打穿机匣。据统计，涡轮叶片的疲劳裂纹故障与叶片的使用时间有关，某发动机一级叶片使用时间150 h以下，故障叶片占20%；使用时间250 h，故障叶片占43%，增加了1倍。

以某型发动机一级涡轮叶片为例，其裂纹的产生部位与形式如图2-7-11所示，主要如下：

（1）叶片进、排气边缘横向裂纹，多位于近叶根部，裂纹向叶身中部扩展。多为单条裂纹，常产生于接近叶根的1/3～1/2区域。

（2）叶背中部裂纹，靠近叶根，常出现于距叶根20%的叶高区域。

（3）叶尖纵向裂纹，有时为数条，多由热疲劳所引起。

（4）叶身排气边缘的穿透性裂纹较多，位于高温区。

（5）皮下裂纹，隐藏在叶片表面以内，有时在表面的0.02～0.03 mm深度以下，打磨表面后可见。这种皮下裂纹通常是叶片裂纹的初始状态，为潜在的裂纹故障。

（6）个别叶片断裂于叶身1/2叶高处，断口呈疲劳断口，有一个45°向上的倾斜角。

（7）叶背与叶盆的鱼鳞状孔边及交界处也易产生裂纹。

据某型发动机大修统计数据显示，涡轮叶片的裂纹故障占叶片总故障的5%～6%。涡轮叶片的尾流激振易引起共振疲劳，在热疲劳和热冲击下，又加速了叶片的振动疲劳破坏。高压涡轮叶片叶背的裂纹少于叶盆，曲率半径最大处是叶盆裂纹的主要集中地。对叶片裂纹处进行能谱分析，若出现氯、氧、碳等元素，说明裂纹表面有腐蚀产物。

控制叶片的自振频率，改变叶片的激励因素，减小叶片的振动程度，防止叶片自振频率和其他零部件自振频率一致引起发动机零部件共振。避免共振是预防和排除叶片裂纹的重要手段，在修理过程中，严格控制每片叶片的自振频率在合理的设计范围内，避免发动机进入工作状态时产生共振。涡轮叶片的称重、测频和测静力矩方法与压气机一致。

2.涡轮叶片的热疲劳损伤

热腐蚀、热疲劳可能使叶片出现细小成片的龟裂。热疲劳损伤多发生于涡轮叶片，叶片受到时冷时热高变温度场的作用，使叶片热疲劳。热腐蚀、热疲劳使叶片出现细小成片的龟裂。热疲劳损伤部位多位于叶片进、排气边缘，通常以横向裂纹居多，也有纵向裂纹。横向裂纹多位于叶片进、排气边缘，裂纹细且多，呈发纹状，集中于一个区域，裂纹为沿晶裂纹，与应力破坏现象相似。工作时间长的叶片易发生热疲劳损伤，热疲劳损伤如图2-7-12所示。

涡轮叶片的热损伤、热疲劳和高温腐蚀故障，可对叶片表面喷涂或渗元，使叶片表面获得防护涂层，提高抗热性、抗疲劳性能和抗高温燃气腐蚀性能。

7.1.4　新入厂涡轮转子叶片的检验内容

涡轮叶片入厂验收时，外观应无毛刺、打伤、变形、锈蚀、裂纹。用放大镜检查叶身圆角半径区域，不许有裂纹、凹坑、划伤。从当前批次叶片中，随机抽取一片，检查过热情况，金相分析材料的组织状态；随机抽取一片检测涂层厚度。测试所有叶片的自振频率，频率应在工艺范围内。测量叶片的主要截面厚度，荧光探伤表面是否有裂纹。所有检查项目合格后，油封包装，储存期一般为3年。