2020年10月5日,法国航空事故调查局(BEA)公布了其对2017年9月30日一架空客A380客机飞行事
故的最终调查结果。此次调查结果预计将对飞机发动机的设计和制造产生一定影响,特别是对冶金法在大型涡轮发动机生产制造过程中的应用提出了新要求。
2017年9月30日,一架搭载4台GP7200发动机的A380大型客机(所属法航空公司)飞越格林兰岛上空时,飞机上的4号(右外侧)发动机发生故障。故障导致发动机进气道、进气机匣、包容环、带叶片的风扇轮盘丢失,而风扇出口导叶、分流环、增压压气机等仍保留在发动机中。飞机在其余3台发动机推动下,平安降落在加拿大机场,机上无人员受伤。
GP7200由普惠公司(Pratt & Whitney)与通用电气公司(GE)联合生产,于2006年初取得FAA的适航证。2008年以GP7200为动力的A380投入航线使用。此次事故中,由于风扇后锥轴出现环形裂纹而导致后锥轴断裂,造成带风扇叶片的风扇转子前移坠离发动机,在风扇转子前移与坠落过程中,将包容环、进气道等从发动机上撕扯出去并坠离飞机。整个风扇部件甩出发动机后,由于低压涡轮设有防止当传动风扇的传动轴断裂时低压涡轮转子超转的安全设计,因此没有造成低压涡轮转子破裂的故障,未对飞机结构造成二次损伤。
2019年8月初,BEA称经检查发现在轮盘装叶片的榫槽中间位置有一表面下的疲劳裂纹起始点,轮盘在此处出现开裂,且断裂仍在继续发展。8月17日美国FAA发布了适航指令,要求对用于A380的GP7200风扇轮盘榫槽及榫槽前缘釆用涡流检查仪检查是否有裂纹,同时目测整个风扇转子是否有损伤。这个适航指令从2019年8月30日起生效,于2020年9月1日前完成。8月23日欧洲航空安全局EASA也发出了类似的适航指令。
2020年10月5日,BEA发布了关于此次故障的最终报告。调查员们确定了导致此次故障的根本原因,即事故是由于钛合金的疲劳问题导致。
采用冶金法可生产等向性材料,这种材料在各个方向上拥有相同的性能。在此要求下,Ti6Al4V应运而生。有时,等向性材料的局部会发生脆化。此前的实验证明,在Ti6Al4V材料中这种缺陷出现的范围和概率很小,不会使发动机产生早期失效的问题。但此次A380发动机故障证明世事无绝对。出故障的发动机完成了3,500个工作循环,远低于其设计的使用寿命。在发动机内部裂纹产生后进行了1,650个工作循环(包括在裂纹不可见时进行了700个工作循环)。采用显微镜可观察到裂纹发生在表面以下1.5mm处。
最终调查报告指出,发动机零部件在锻造过程中出现了各向异性的宏区(这也是裂纹出现的区域)。零部件越大,产生有缺陷宏区的可能性就越大。零部件负载时,宏区在相同的方向上产生缺陷。负载在宏区位置上呈最大值,比生产试样得到的分析数据值大10倍。在发动机承受持续负载时会产生疲劳,导致裂纹扩展。对Ti6Al4V试样进行的疲劳测试中并没有包含持续负载试验,而是会进行瞬时负载试验。
对于发动机生产商,这次事故应使其重新审视大型发动机零部件的设计方式。未来,发动机生产商应考虑降低负载的设计,改变零部件的几何结构,选择不同的材料。但这些改变可能会增加零部件的重量。此外,还应该重新评估制造工艺,特别是锻造工艺,以及改进质检体系。
BEA称,欧洲航空安全局(EASA)和美国联邦航空局(FAA)应确保设计和制造工艺能够使故障的发生得到控制。此外,应对Ti6Al4V同族钛合金材料制成的发动机转子级关键零部件实施质量检查。GP7200发动机风扇转子应进行定期检查。自2019年11月21日起,要求该发动机每运转330个工作循环应进行涡流和超声检测。由于在检测时,需卸下发动机叶片,应重新设计叶片的缩紧卡环,以减少损坏风扇转子前部的风险。