單晶渦輪葉片型腔內一類外來物的成因分析

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(中國航發航空科技股份有限公司，成都 610503)

渦輪葉片是直接利用高溫、高速燃氣做功的關鍵零件，其工作環境非常惡劣，要求材料具有足夠好的熱高低周疲勞、蠕變及其交互性能[1]。相比等軸及定向高溫合金，單晶高溫合金由于完全消除了晶界，很大程度上提高了合金的高溫蠕變性能和疲勞性能[2]。鎳基單晶合金材料因具有卓越的高溫性能,被用于先進航空、航天發動機渦輪葉片的制造中，受到材料學家、力學家及工程師的廣泛關注。

筆者所在單位正在試制的某型號發動機，其單晶渦輪葉片毛坯是由北京某研究院(以下稱研究院)生產提供，筆者單位進行機加、裝試的。該葉片毛坯的X射線檢測由研究院和筆者單位共同完成，檢測地點為研究院X射線檢測間，合格葉片毛坯發往筆者單位進行后續加工。筆者單位共需進行26道工序，產品合格后方能入庫。其中在第20道工序對機加后的葉片進行X射線檢測時，發現底片上有顯示，從底片上顯示的特征和所處的位置來看，懷疑是外來物。

1 單晶渦輪葉片的X射線檢測過程

1.1 膠片X射線檢測

單晶渦輪葉片毛坯合格件入廠以后，要經過26道加工工序方能入庫，工序流程如表1所示。

從表1可以看出，當零件進行到X射線檢測工序時，機械加工工序已全部完成，需按照X射線檢測規范要求對零件進行檢測。筆者所在單位X射線檢測主要采用的是膠片成像工藝，X射線機型號為ISOVOLT320 M2，膠片類型為天津V型，自動洗片機型號為NDT SECO。圖1為單晶渦輪葉片實物與X射線檢測結果。圖1(b)中紅色圓圈內為疑似外來物的顯示，該顯示在底片上呈不規則的白色片狀結構，影像的黑度不均勻，且位于葉身有型腔的區域，但位置隨機分布。

表1 單晶渦輪葉片機加工序

圖1 單晶渦輪葉片實物與膠片型X射線檢測結果

1.2 數字實時成像X射線檢測驗證

為了進一步驗證該疑似顯示的真實性，采用數字實時成像X射線檢測系統(DR)對該葉片進行了復驗。DR檢測系統由射線源、被檢工件、成像探測器、成像及控制中心組成。圖2為單晶渦輪葉片DR檢測的示意圖，圖3為實際檢測現場圖片。

圖2 單晶渦輪葉片DR檢測示意

圖3 單晶渦輪葉片DR檢測現場圖片

X射線機管頭型號為Y.TU/320-D03定向，管電壓為15～320 kV，焦點形狀為圓形，小焦點直徑為3.0 mm，大焦點直徑為5.5 mm。

平板探測器(成像板)是美國PerkinElmer公司的XRD-0822 AP，面板部分基本技術參數為：像素數目1 024×1 024[3]，像素間距200 μm，總面積204.8 mm×204.8 mm。

圖4 單晶渦輪葉片DR檢測結果

圖4(a)為單晶渦輪葉片的DR檢測結果，數字圖像處理軟件中采用的底片模式為“負片”，圖4(b)為經過浮雕處理后的圖片，浮雕處理能使底片中的影像具有立體感，更容易識別。可見，圖4(a)和圖4(b)的影像都清晰地顯示出了外來物的影像，證明了外來物存在的真實性。

2 單晶渦輪葉片中外來物的成因分析

為了弄清外來物的成因，筆者主要進行了三個方面的驗證工作。

2.1 排除X射線檢測共檢時缺陷漏檢

為了排除X射線檢測共檢時葉片內部存在高密度夾雜或型腔內殘留型芯沒有清理干凈的可能性，筆者單位X射線檢測技術員對相關顯示的信息進行了統計。同時要求研究院X射線檢測技術員結合這些信息對共檢的底片進行復查，復查結果顯示所有葉片在共檢時都不存在外來物顯示。

2.2 排除熒光檢測過程中顯像粉殘留

目視檢測零件外表面光滑無異物，說明該顯示存在于零件內表面，采用冷光源伸到型腔內，裸眼可見該顯示處有多余物緊貼在零件內壁上。筆者單位用普通高壓氣槍對葉片型腔進行清理后再次進行X射線檢測，檢測結果顯示該清理無效，底片中的外來物顯示無任何變化。

分析表1中該葉片的加工工序，懷疑是第一次“熒光檢測”過程中顯像粉(鎂粉)經“葉冠裝配面釬焊”工序中的高溫，黏結在葉片內壁形成的。為驗證這種假設，筆者將鎂粉置于零件表面進行X射線檢測，如圖5所示。

圖5 鎂粉置于單晶渦輪葉片上

經過X射線檢測，發現底片上并沒有鎂粉的影像，底片中的影像與圖1中沒有放置鎂粉時相同。該試驗排除了外來物為顯像粉殘留的可能性。

2.3 剖切零件對外來物進行成分分析

為了弄清楚該外來物的來源，對該零件進行了剖切，圖6(a)為剖切面在VHX-5000體視顯微鏡下的圖片；將外來物取出，其實物見圖6(b)，可見該外來物顏色稍黑，質軟，呈蓬松狀，剛性差。

圖6 單晶渦輪葉片中的外來物在顯微鏡下的顯示及其實物圖

采用Oxford能譜儀對單晶葉片基體和外來物進行能譜分析。圖7為剖切面在JEOL JSM-6610LV掃描電鏡下的圖片，其中，從葉片型腔內的外來物上取樣(標為樣本1和樣本2)，葉片基體上取樣(標為樣本3)。三個采樣區的能譜分析結果見圖8和表2。由表2可以很直觀地發現：該外來物與葉片基體元素含量沒有明顯差異。

圖7 剖切面的掃描電鏡圖

表2 三個采樣區的能譜分析數據表%

圖8 三個采樣區的能譜分析

結合能譜分析結果，可知該外來物來源于葉片本身；結合葉片機加工序流程圖，單晶渦輪葉片型腔內外來物和基體材料，推斷外來物是磨加工過程中產生的金屬粉末通過葉片上的進排氣孔進入型腔內，在進行“葉冠裝配面釬焊”工序時，在真空釬焊爐的高溫環境下由于原子擴散作用緊緊地黏接在葉片內壁上而形成的。

3 單晶渦輪葉片中外來物的去除

根據外來物的特性，研究院采用水切割設備改裝的超高壓水槍對葉片型腔進行清理，水槍依次對準進氣孔1，2，3進行沖洗，將外來物由排氣孔排出，如圖9(a)所示。圖9(b)為清理時，使用的葉片專用夾具。最后采用冷光源裸眼觀察，觀察不到外來物的情況下，再次進行X射線檢測。經過多次沖洗，所有葉片外來物去除干凈，最終零件的X射線檢測合格。

圖9 單晶渦輪葉片中外來物去除示意及其專用夾具

4 結語

筆者公司在對某批次成品單晶渦輪葉片X射線檢測過程中，發現型腔內有外來物，通過對該外來物進行能譜分析與去除等試驗，分析了其成因，為同類型零件型腔內異物來源的分析提供了參考。基于此，建議在型腔類零件的機加及運輸過程中，對零件表面型腔入口進行密封保護，以防止型腔內進入外來物導致零件在工作過程中失效甚至產生致命危害。