圖 1 開裂葉片外觀
分享：高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉開裂原因
渦輪葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的部件之一，其所用材料經(jīng)歷了從變形高溫合金、鑄造等軸晶高溫合金、定向柱晶高溫合金到單晶高溫合金的發(fā)展歷程[1-5]。鎳基單晶高溫合金渦輪葉片的研制與應(yīng)用顯示了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重大技術(shù)進(jìn)步。鎳基單晶高溫合金沒有晶界，不含或含有極少量的晶界強(qiáng)化元素，初熔溫度較高，可進(jìn)行更高溫度的固溶熱處理，該合金的高溫力學(xué)性能較高。與多晶合金相比，單晶高溫合金具有更好的高溫持久、熱機(jī)械疲勞和抗氧化腐蝕等性能，受到廣泛關(guān)注，包括我國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家都把采用單晶高溫合金葉片作為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一個(gè)重要措施[6]。
DD6鎳基單晶高溫合金是國(guó)內(nèi)成功研制的低成本第2代單晶高溫合金[7]。與傳統(tǒng)的等軸高溫合金、定向柱晶高溫合金和已成功應(yīng)用的第2代CMSX-4單晶高溫合金相比，DD6鎳基單晶高溫合金具有更好的高溫綜合性能，已成為國(guó)內(nèi)某型先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的主要材料。
某航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉材料為DD6單晶高溫合金，經(jīng)約50 h試車后，分解檢查發(fā)現(xiàn)1件葉片的葉盆進(jìn)氣邊附近下緣板處存在裂紋，裂紋長(zhǎng)度約為11.2 mm，開裂葉片外觀如圖1所示，其中箭頭處為裂紋。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉試車后異常開裂的原因進(jìn)行分析，結(jié)果可為今后DD6單晶高溫合金渦輪葉片的高可靠性應(yīng)用提供重要的技術(shù)支持。
1. 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉下緣板裂紋宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：裂紋貫穿導(dǎo)葉下緣板流道面及端面，端面裂紋開口較大，流道面裂紋開口較小，裂紋走向曲折。經(jīng)測(cè)量，流道面裂紋長(zhǎng)度約為7 mm，端面裂紋長(zhǎng)度約為4.2 mm。裂紋處緣板厚度約為3.7 mm，裂紋兩側(cè)緣板端面可見黑色氧化痕跡。
圖 2 高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉下緣板裂紋宏觀形貌
1.2 掃描電鏡(SEM)和能譜分析
在高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉下緣板裂紋斷口截取并制備試樣，將試樣置于掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷口整體氧化比較嚴(yán)重，呈黑色或墨綠色及藍(lán)色氧化形貌，整個(gè)斷口可以分為3個(gè)區(qū)；Ⅰ區(qū)面積較大，尺寸約為8.1 mm×5.8 mm（長(zhǎng)度×寬度），占整個(gè)斷口的4/5，斷口相對(duì)粗糙，呈高低起伏的“鑄造枝晶自由表面”特征，表面氧化嚴(yán)重；Ⅱ區(qū)面積較小，尺寸約為2 mm×0.9 mm（長(zhǎng)度×寬度），即封嚴(yán)槽及下緣板端面?zhèn)?，Ⅱ區(qū)比較平坦，可見擴(kuò)展棱線及疲勞條帶，同樣存在氧化現(xiàn)象，呈熱疲勞斷口特征，Ⅱ區(qū)是從Ⅰ區(qū)封嚴(yán)槽一側(cè)局部前沿界面上萌生擴(kuò)展而來的，Ⅰ區(qū)其余位置未見擴(kuò)展特征；Ⅲ區(qū)為人為打斷區(qū)，呈金屬亮白色，具有類解理+韌窩特征。此外，斷口Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)、Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)形貌特征差異顯著，無過渡區(qū)，兩分界面處可見多條二次裂紋，二次裂紋氧化程度較輕，Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)分界面的微裂紋較長(zhǎng)，貫穿了整個(gè)斷口截面，裂紋走向曲折，局部為弧狀，不同于常規(guī)的疲勞斷裂沿特定晶體學(xué)方向擴(kuò)展特征，放大后觀察發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)部表面呈顆粒狀氧化形貌。根據(jù)上述特征判斷，Ⅰ區(qū)存在一個(gè)尺寸較大的鑄造缺陷。
圖 3 高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉下緣板裂紋斷口分區(qū)及其SEM形貌
對(duì)整個(gè)斷口各區(qū)域開展能譜分析，斷口SEM形貌及能譜分析位置如圖4所示，分析位置1~8分別對(duì)應(yīng)譜圖1~8，其中譜圖1分布在斷口Ⅱ區(qū)，譜圖2~8分布在斷口Ⅰ區(qū)。斷口各區(qū)域均發(fā)生嚴(yán)重氧化，氧化程度未見明顯差異，主要存在DD6合金基體的不同類型氧化產(chǎn)物。同時(shí)，對(duì)Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)分界面處微裂紋表面進(jìn)行能譜分析，分析位置如圖4所示，分析結(jié)果如表1所示。由表1可知：Ⅲ區(qū)的化學(xué)成分接近DD6基體，而Ⅰ區(qū)、Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)分界面表面相較于DD6合金基體而言，W、Ta、Al元素的含量偏高。高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉下緣板裂紋斷口Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)分界面處能譜分析位置如圖5所示，能譜分析結(jié)果如表2所示，其中譜圖25位于Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)分界面表面處，譜圖24位于Ⅰ區(qū)，譜圖26位于Ⅲ區(qū)。綜上所述，分析認(rèn)為高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉下緣板裂紋為熱疲勞裂紋，疲勞源區(qū)存在鑄造缺陷，缺陷尺寸約為8.1 mm×5.8 mm（長(zhǎng)度×寬度）。
圖 4 高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉下緣板裂紋斷口SEM形貌及各區(qū)能譜分析位置
Table 1. 高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉下緣板裂紋斷口各區(qū)域能譜分析結(jié)果
| 項(xiàng)目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ni | O | Co | W | Ta | Al | Cr | Mo | |
| 譜圖1實(shí)測(cè)值 | 44.52 | 20.91 | 8.01 | 7.92 | 7.50 | 6.28 | 4.86 | - |
| 譜圖2實(shí)測(cè)值 | 30.09 | 24.29 | 8.49 | 4.04 | 9.83 | 13.42 | 9.84 | - |
| 譜圖3實(shí)測(cè)值 | 60.30 | 17.12 | 8.57 | 3.99 | 2.46 | 4.47 | 3.09 | - |
| 譜圖4實(shí)測(cè)值 | 33.16 | 27.66 | 7.39 | 4.59 | 8.06 | 12.10 | 7.03 | - |
| 譜圖5實(shí)測(cè)值 | 49.09 | 22.95 | 9.53 | 4.05 | 4.07 | 5.35 | 4.96 | - |
| 譜圖6實(shí)測(cè)值 | 53.30 | 15.20 | 10.90 | 5.00 | 5.00 | 3.30 | 4.00 | 1.3 |
| 譜圖7實(shí)測(cè)值 | 49.50 | 22.65 | 9.98 | 4.90 | 2.87 | 4.56 | 3.95 | 1.6 |
| 譜圖8實(shí)測(cè)值 | 47.42 | 14.83 | 12.66 | 6.01 | 7.76 | 3.39 | 7.93 | - |
圖 5 高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉下緣板裂紋斷口Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)分界面處能譜分析位置
Table 2. 高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉下緣板裂紋斷口Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)分界面處能譜分析結(jié)果
| 項(xiàng)目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ni | W | Ta | Co | Al | Cr | Mo | O | |
| 譜圖25實(shí)測(cè)值 | 62.00 | 11.81 | 7.30 | 7.02 | 5.21 | 3.81 | 2.84 | - |
| 譜圖24實(shí)測(cè)值 | 18.17 | 9.72 | 8.90 | 8.67 | 15.69 | 7.02 | - | 31.83 |
| 譜圖26實(shí)測(cè)值 | 65.23 | 7.61 | 7.91 | 9.10 | 5.05 | 4.25 | 0.84 | - |
1.3 斷口分析
在下緣板裂紋附近截取并制備軸向金相試樣，將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，取樣位置如圖6所示，觀察面為緣板藍(lán)色面。下緣板軸向剖面微觀形貌如圖7所示。經(jīng)測(cè)量，緣板流道面涂層粘接層厚度約為12~13 μm，低于標(biāo)準(zhǔn)要求（30~70 μm），涂層面厚度約為10~12 μm，由于葉片經(jīng)過服役，其面層受損，該檢測(cè)結(jié)果僅供參考。下緣板顯微組織為γ+γ'+少量殘余共晶，存在少量疏松缺陷。下緣板整個(gè)剖面不同位置的γ'相形貌如圖7c）、7d）所示，可見下緣板流道面近裂紋側(cè)和遠(yuǎn)離裂紋側(cè)γ'相形貌類似，呈迷宮型長(zhǎng)條狀，緣板基體近裂紋側(cè)和遠(yuǎn)離裂紋側(cè)γ'相形貌呈方塊狀，兩處γ'相均無明顯回溶，未發(fā)現(xiàn)超溫服役情況。
圖 6 下緣板取樣位置示意
圖 7 下緣板軸向剖面微觀形貌
為了確認(rèn)斷口源區(qū)鑄造缺陷的性質(zhì)，分析以下幾個(gè)方面：Ⅰ區(qū)與緣板基體之間的界面氧化情況；Ⅰ區(qū)與緣板基體之間的晶粒取向情況；Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)分界面處界面氧化情況；Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)分界面處晶粒取向情況。
斷口流道面垂直于斷口方向的雜晶整體、二次裂紋、分界面微觀形貌如圖8所示。下緣板存在一個(gè)尺寸約為7.4 mm×2.8 mm（長(zhǎng)度×寬度）的雜晶晶粒，該晶粒與緣板基體晶粒存在明顯的晶界，且晶體取向存在差異，晶界局部已經(jīng)開裂，開裂的晶界表面存在氧化。雜晶晶粒與基體晶界可見塊狀碳化物及共晶，晶界個(gè)別位置可見疏松缺陷。雜晶晶粒內(nèi)γ'相與緣板基體γ'相形貌不同，雜晶晶粒內(nèi)γ'相主要呈方塊狀，基體γ'相主要呈三角狀，表明兩種γ'相晶格取向存在差異。雜晶與緣板基體晶粒的取向差為41.9°。
圖 8 斷口流道面垂直于斷口方向的雜晶整體、二次裂紋、分界面形貌
同時(shí)，在雜晶與緣板基體晶界不同位置進(jìn)行微區(qū)成分分析，分析位置如圖9所示，分析結(jié)果如表3所示，其中譜圖3~5位于雜晶與基體晶界處，譜圖6~7位于晶界碳化物處。發(fā)現(xiàn)雜晶與緣板基體晶界呈“三明治”結(jié)構(gòu)，中層主要為Ni、Al元素的氧化物，外層主要為DD6合金，但是W、Ta元素的含量偏高；晶界塊狀碳化物主要為W、Ta元素的碳化物。這與斷口分析中Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)分界面W、Ta、Al元素含量偏高相符。
圖 9 雜晶與緣板基體晶界能譜分析位置
Table 3. 雜晶與緣板基體晶界不同位置能譜分析結(jié)果
| 項(xiàng)目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ni | W | Co | Ta | Cr | C | Al | O | |
| 譜圖3 | 57.69 | 11.78 | 9.71 | 8.88 | 5.18 | 4.59 | 2.17 | - |
| 譜圖4 | 44.58 | - | 8.14 | - | 4.05 | 7.75 | 25.30 | 10.17 |
| 譜圖5 | 58.93 | 12.1 | 8.95 | 8.89 | 5.00 | 4.30 | 1.83 | - |
| 譜圖6 | 19.53 | 44.68 | 7.82 | 14.79 | 7.06 | 6.12 | - | - |
| 譜圖7 | 29.53 | 37.94 | 8.17 | 10.05 | 6.44 | 7.87 | - | - |
綜上認(rèn)為，斷口源區(qū)的鑄造缺陷為葉片鑄造過程中形成的雜晶，雜晶與緣板基體晶粒的取向差為41.9°。
2. 綜合分析
高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉下緣板裂紋為熱疲勞裂紋，疲勞源區(qū)存在鑄造缺陷，鑄造缺陷為葉片鑄造過程中形成的雜晶，雜晶尺寸約為8.1 mm×5.8 mm×7.4 mm（長(zhǎng)度×寬度×高度），雜晶與緣板基體晶粒的取向差為41.9°。
從結(jié)構(gòu)和受力來分析，高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉為靜子件，服役過程中主要承受振動(dòng)應(yīng)力及熱應(yīng)力。下緣板裂紋附近基體組織正常，未發(fā)現(xiàn)超溫服役情況。結(jié)合高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可知，下緣板流道面的溫度為1 110~1 187 K，且溫度梯度不大（見圖10）。由此可排除下緣板流道面涂層較薄引起的葉片超溫服役并承受較大熱應(yīng)力，最終導(dǎo)致緣板開裂的原因。
圖 10 高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果
此外，裂紋在緣板厚度較厚的位置，而非緣板厚度較薄或突變位置，裂紋處緣板厚度約為3.7 mm，未見緣板明顯減薄的情況，由此可排除緣板厚度突變或減薄造成應(yīng)力集中，并導(dǎo)致葉片開裂的可能。
斷口分析及顯微組織分析結(jié)果表明，斷口源區(qū)存在鑄造過程中形成的較大尺寸雜晶缺陷。據(jù)此認(rèn)為，雜晶晶界強(qiáng)度低，在高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉緣板服役過程中，導(dǎo)葉緣板在熱應(yīng)力的作用下沿雜晶晶界開裂擴(kuò)展，形成自由枝晶表面，裂紋逐漸擴(kuò)展至緣板正?；w位置，即斷口Ⅰ、Ⅱ區(qū)分界面處，后續(xù)在Ⅱ區(qū)表現(xiàn)為熱疲勞擴(kuò)展。而且周向36件二級(jí)導(dǎo)葉中僅一件葉片的下緣板存在裂紋，具有特殊性。
由此判斷，下緣板存在尺寸較大的雜晶缺陷是高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉發(fā)生早期疲勞開裂的主要原因。
3. 結(jié)論
（1）高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉下緣板裂紋源區(qū)存在鑄造缺陷，鑄造缺陷為葉片鑄造過程中形成的雜晶，雜晶與緣板基體晶粒存在取向差。
（2）高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉下緣板裂紋為熱疲勞裂紋，雜晶缺陷是早期熱疲勞開裂的主要原因。
文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)
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