某型發(fā)動機(jī)渦輪葉片葉冠外端面高溫氧化和腐蝕故障分析與對策

宋丙新 王軼 熊高峰

摘要：對渦輪葉片葉冠外端面高溫氧化和腐蝕情況進(jìn)行了外觀與尺寸、成分與金相等檢查以及裝配情況復(fù)查，分析認(rèn)為，在無鋁硅層保護(hù)狀態(tài)下，葉片葉冠外端面抗氧化和抗熱腐蝕性能降低，長期工作中的高溫氧化和熱腐蝕持續(xù)累積導(dǎo)致了故障的發(fā)生。給出了對渦輪葉片葉冠外端面滲鋁硅是提高抗氧化和抗熱腐蝕性能、避免葉冠外端面腐蝕故障的對策。

關(guān)鍵詞：渦輪葉片；高溫氧化；腐蝕；故障分析

Keywords：turbine blade；temperature oxidation；corrosion；failure analysis

1 故障現(xiàn)象

某發(fā)動機(jī)試車后分解檢查發(fā)現(xiàn)，渦輪葉片中有5件葉冠外端面存在疑似材料附著、剝落現(xiàn)象（見圖1）。

2 故障件信息

此渦輪葉片中的5件故障葉片為串用某A號發(fā)動機(jī)的葉片，其余葉片均為串用某B號發(fā)動機(jī)的葉片，基本信息見表1。

由表1可見，5件故障葉片裝配位置不均勻分布，總工作時間為1418h48min，來源于同一臺某A號發(fā)動機(jī)；其余葉片總工作時間為1202h08min，來源于同一臺某B號發(fā)動機(jī)。上述葉片試車前修理時均進(jìn)行了重新滲鋁硅。

3 故障件檢查與分析

3.1 外觀與尺寸檢查

分解檢查渦輪，5件葉片葉冠外端面存在疑似材料附著、剝落現(xiàn)象，與之匹配的蜂窩外環(huán)有磨損痕跡；5件葉片葉身、榫頭位置外觀檢查未見異常（見圖2）。葉片與蜂窩配合尺寸變化及葉冠封嚴(yán)齒厚度情況見表2、表3。

由表2、表3可見，渦輪葉片試車后均有伸長，其中故障葉片葉冠外端面存在疑似材料附著、剝落痕跡，封嚴(yán)齒厚度比正常葉片增大約0.2 mm。

3.2 成分與金相檢查

選取不同類別渦輪葉片，通過掃描電鏡檢測葉片表面成分，葉身和榫頭部分未見明顯差異，但故障葉片葉冠表面成分與正常葉片存在差異。葉冠表面成分對比見表4。

由表4可見，試車故障葉片葉冠Al、Si含量較其他葉片偏低，Ti含量和Cr含量也偏低，Ni含量明顯比其他葉片高。對與故障渦輪葉片同滲鋁硅爐批的葉片葉冠進(jìn)行解剖并進(jìn)行金相檢查，在葉冠位置未發(fā)現(xiàn)鋁硅層。

渦輪葉片葉冠表面微觀形貌檢查，發(fā)現(xiàn)呈顆粒狀氧化物覆蓋特征，且有與基體的分層現(xiàn)象，如圖3所示；對表面進(jìn)行X射線能譜分析，發(fā)現(xiàn)表面富含O、Ni、Co和少量Al元素。

檢查葉冠剖面金相形貌，氧化物層主要分為外氧化層、氧化過渡層和內(nèi)氧化層，如圖4所示；對氧化層進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)氧化層主要含O、Ni、Co、Cr、Fe、Ti、Al、Si元素，可見葉冠處沒有其他污染物，是自身氧化物。

3.3 裝配情況復(fù)查

復(fù)查裝配情況，認(rèn)為渦輪葉片裝配符合要求，葉片裝配復(fù)查情況見表5。

4 分析討論

渦輪葉片設(shè)計圖規(guī)定對葉片流道表面滲鋁硅，滲層厚度0.02～0.04mm，除榫頭外其他表面允許漏滲，滲層厚度不大于0.025mm。按上述規(guī)定，部分渦輪葉片葉冠外端面存在無滲鋁硅層的可能。

該渦輪葉片材料為高溫合金，在無鋁硅層保護(hù)情況下，基體材料長期在高溫環(huán)境中工作，易發(fā)生高溫氧化和熱腐蝕。與5件故障葉片同爐滲鋁硅層的1件葉片葉冠解剖后金相檢查未見鋁硅層，表明故障葉片葉冠外端面使用前大概率也無鋁硅層。同時，因故障葉片工作時間已接近總壽命，氧化、熱腐蝕累積時間較長，致使葉冠外端面的抗氧化和抗熱腐蝕性大大降低。分析認(rèn)為，故障葉片抗氧化性和抗熱腐蝕性降低，是導(dǎo)致葉冠外端面高溫氧化和腐蝕的主要原因。

5 結(jié)論與對策

故障葉片葉冠Al、Si、Ti含量較其他葉片偏低，Ni含量明顯比其他葉片高。對故障葉片同爐滲鋁硅的葉片進(jìn)行葉冠解剖和金相檢查，發(fā)現(xiàn)同爐葉片葉冠外端面無鋁硅層。試驗和抽檢表明，故障葉片工作前葉冠外端面已無鋁硅層。

該渦輪葉片材料為高溫合金，在無鋁硅層保護(hù)狀態(tài)下，葉冠外端面抗氧化和抗熱腐蝕性能降低，長期工作中，高溫氧化和熱腐蝕持續(xù)累積，發(fā)生了高溫氧化和熱腐蝕。

通過渦輪葉片葉冠外端面滲鋁硅，可提高其抗氧化和抗熱腐蝕性能。針對渦輪葉片葉冠外端面高溫氧化和腐蝕故障，建議增加葉冠外端面滲鋁硅要求，滲層厚度定為0.02～0.04mm。