航空發(fā)動(dòng)機(jī)用TaW10噴管斷裂失效分析

孫 偉，朱寶輝，周曉軍

（寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

TaW10合金是一種高密度、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度的稀有金屬合金材料，鎢在鉭中以置換固溶體形式無(wú)限固溶于鉭，主要為固溶強(qiáng)化的作用，從而提高材料的室溫及高溫性能。TaW10合金的最高測(cè)試溫度可以達(dá)到2500℃，與同類型的鉭合金及鈮鎢合金相比具有最高溫度。由于TaW10合金優(yōu)良的高溫及耐腐蝕性能，所以經(jīng)常被用于高溫、高壓、腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下的關(guān)鍵或重要部件，其高溫使用環(huán)境下的失效原因及形式是備受關(guān)注的焦點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用TaW10合金身部噴管的失效原因的分析，對(duì)此材料的壓力加工工藝提出一定的指導(dǎo)，進(jìn)而改善材料的使用性能及可靠性。

1 試驗(yàn)過(guò)程

（1）試驗(yàn)材料。試驗(yàn)所使用的鑄錠是經(jīng)真空電子束爐二次熔煉鑄錠（鑄錠外徑尺寸為φ97.5mm），鑄錠化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。

（2）試驗(yàn)工藝。鑄錠（外徑φ97.5mm）→超聲波探傷→箱式電阻爐加熱→表面抗氧化涂裝→中頻感應(yīng)加熱→3T落錘鍛造→超聲波探傷→鋸切→車外圓→成品鋸切→平頭→棒材成品真空退火→棒材成品性能檢驗(yàn)→棒材成品檢驗(yàn)→合格棒材產(chǎn)品包裝發(fā)貨→入廠復(fù)驗(yàn)（軍工單位）→成品噴管加工→表面抗氧化涂層制作→風(fēng)洞試驗(yàn)。

表1 鑄錠的化學(xué)成分

2 斷裂失效原因分析

2.1 使用條件

TaW10噴管試驗(yàn)溫度為：1540℃，環(huán)境介質(zhì)為：大氣環(huán)境下，內(nèi)部壓力約50MPa，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不足60分鐘，斷裂現(xiàn)象為：噴管擴(kuò)張段延橫向主斷裂，并伴隨縱向斷裂，整體表現(xiàn)為瞬間炸裂。

2.2 斷口宏觀形貌及金相組織

圖1 TaW10噴管斷口宏觀照片

原始斷口處取橫向及縱向試樣，采用MM6金相顯微鏡進(jìn)行金相組織分析，分析結(jié)果為：平均晶粒尺寸很大（約600μm），屬于TaW10過(guò)熱組織。

由于使用環(huán)境溫度為1540℃，在TaW10再結(jié)晶溫度以上，噴管部分位置存在變形鼓脹，致使表面涂層脫落，在此溫度下持續(xù)時(shí)間約60分鐘，造成材料基體組織異常長(zhǎng)大及過(guò)熱，進(jìn)而導(dǎo)致材料高溫強(qiáng)度及塑性降低。

2.3 斷口微觀形貌

對(duì)失效噴管的斷口處取橫縱向試樣，通過(guò)斷口SEM（掃描電子顯微鏡）表面形貌分析可以看出，斷口表面存在典型的河流花樣、解理刻面及解理臺(tái)階，表明材料呈現(xiàn)脆性，可判定為脆性斷裂。具體微觀斷口形貌照片如圖2所示：

圖2 TaW10噴管縱向取樣微觀斷口形貌照片

3 分析與討論

TaW10材料常規(guī)使用溫度在1400～2000℃范圍使用，最高測(cè)試溫度可以達(dá)到2500℃，在1200℃具有325MPa抗拉強(qiáng)度（σb）和15%延伸率（δ5），1400℃具有280MPa抗拉強(qiáng)度（σb）和19%延伸率（δ5），2000℃具有150MPa抗拉強(qiáng)度（σb）和23%延伸率（δ5），而實(shí)驗(yàn)溫度為1540℃，內(nèi)部壓力在約50MPa，TaW10的性能完全能夠抵抗此種環(huán)境溫度及壓力。但是，由于常規(guī)使用的TaW10鑄錠為電子束爐二次熔煉外徑φ97.5mm鑄錠，而棒材成品規(guī)格為：φ60×500mm單根重量較大，此種規(guī)格鑄錠生產(chǎn)規(guī)格及重量較大的成品棒材導(dǎo)致坯料鍛造高徑比不適宜（鉭及鉭合金高徑比1.5～1.8較為適宜），不宜實(shí)現(xiàn)大加工率鍛造墩粗，所以鑄造態(tài)組織破碎不充分，導(dǎo)致棒坯組織不均勻。晶粒尺寸較為粗大處在高溫及高壓下易出現(xiàn)局部的鼓脹變形，致使涂層表面與基材結(jié)合緊密度下降，在高溫、高速氣流沖擊的情況下造成局部涂層脫落，基材氣體雜質(zhì)吸入（由于鉭及合金的吸氣性能很好，主要為氧氣吸入導(dǎo)致的氧化作用對(duì)材料的性能影響較大）進(jìn)而導(dǎo)致基材性能迅速降低及再結(jié)晶溫度下降所導(dǎo)致的過(guò)熱。綜上所述：高溫、高壓、氣體雜質(zhì)吸入、再結(jié)晶溫度降低、過(guò)熱、強(qiáng)度及塑性降低、脆性增強(qiáng)等動(dòng)態(tài)因素交互作用下，最終噴管瞬間解理脆斷裂失效。

4 結(jié)語(yǔ)

①此次試驗(yàn)身部噴管斷裂性質(zhì)為解理脆性斷裂。②晶粒尺寸過(guò)大及不均勻的棒坯生產(chǎn)的身部噴管在試車試驗(yàn)中可能導(dǎo)致材料局部變形，進(jìn)而導(dǎo)致材料斷裂失效。③涂層脫落后的材料吸氣造成材料過(guò)熱是導(dǎo)致噴管斷裂失效的主要原因。

[1]Hejilin（何季麟）China Materials Engineering Canon（中國(guó)材料大典）[M].Beijing：Chemical Industry Press,2006.

[2]吳全興.鉭及其合金的用途[J].稀有金屬快報(bào),2002,23(3)：24—25.