高溫合金渦輪轉(zhuǎn)子葉片裂紋形成機理

王 影 王宇寧 劉春立 韓 露 盧 鵡

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 高溫合金渦輪轉(zhuǎn)子在經(jīng)歷過多次發(fā)動機試車后熒光檢查發(fā)現(xiàn)葉片根部存在裂紋，對渦輪轉(zhuǎn)子葉片裂紋進行分析。結(jié)果表明，渦輪轉(zhuǎn)子葉片裂紋位于葉片根部進出口薄壁區(qū)，裂紋的開裂模式為高溫疲勞開裂，屬于低周疲勞，為壽命型失效。試車過程中轉(zhuǎn)子葉片根部應(yīng)力集中部位在高溫及交變應(yīng)力的交互作用下，葉尖根部應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生蠕變和晶界擇優(yōu)氧化，高溫蠕變和沿晶氧化相互促進，導(dǎo)致葉片根部的晶界弱化開裂，形成了疲勞源區(qū)，進而在后續(xù)工作過程中發(fā)生高溫疲勞擴展。

0 引言

高溫合金是以Fe、Ni 或Co 為基體，能在600℃以上的高溫環(huán)境下抗氧化或耐腐蝕，并能在一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料。GH4141 合金屬于Ni-Cr-Co 基沉淀硬化變形高溫合金，主要以時效沉淀γ'相和M6C 型碳化物為主要強化相，使用溫度在980℃以下。合金可在650～900℃具有較高的拉伸、持久和蠕變強度、抗屈服和抗疲勞性能以及良好的抗氧化性能，是980℃以下使用力學(xué)性能最高的合金之一。此外GH4141合金的加工性能良好，被廣泛用于航空航天發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子、渦輪盤、導(dǎo)向葉片、燃燒室板材承力件等重要部件［1-4］。

渦輪轉(zhuǎn)子是發(fā)動機的重要部件之一，渦輪轉(zhuǎn)子在服役過程中葉片一直承受復(fù)雜的循環(huán)載荷，其應(yīng)力集中部位極易產(chǎn)生裂紋萌生、擴展和斷裂，葉片的失效尤其疲勞失效具有較強的隱蔽性和突發(fā)性，發(fā)生失效時往往毫無征兆，一個葉片故障可能會帶來災(zāi)難性的后果。發(fā)動機葉片在服役條件下的損傷模式主要有疲勞、高溫蠕變及高溫氧化，同時還包括疲勞、蠕變及氧化的交互作用，最終導(dǎo)致疲勞裂紋萌生、擴展以致發(fā)生疲勞斷裂。影響葉片疲勞壽命的因素包括：如葉片自身質(zhì)量、存在異常超溫現(xiàn)象以及長時間的嚴酷試驗環(huán)境等。目前對渦輪轉(zhuǎn)子葉片研究主要集中在仿真計算和模型建立方面，包括疲勞壽命模型建立、疲勞壽命分析，應(yīng)力場、應(yīng)變場及溫度場場仿真分析等［5-8］。在破壞模式研究方面主要是以力學(xué)試樣在實驗室環(huán)境下進行的蠕變疲勞、高溫疲勞分析，分析渦輪轉(zhuǎn)子所用材料的各種疲勞壽命，部分研究涉及到試樣的斷裂形貌分析，極少涉及到真正的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的失效機理及原因分析［9-10］。本文對發(fā)動機熱試車后渦輪轉(zhuǎn)子葉片裂紋的失效模式及機理進行研究。

1 試驗

本研究所用材料為GH4141。熒光滲透實驗按GJB2367A—2005 進行，選用高靈敏度熒光液ZL-67D、滲透時間30 min；采用場發(fā)射掃描電鏡（FEI Quanta 650）分析裂紋及斷口形態(tài)；采用牛津X 射線能譜儀并按GB/T17359—2012 進行能譜成分分析；金相組織分析按GB/T 14999—2012 對材料內(nèi)部純潔度進行評定，采用LEICA4000 顯微鏡對組織進行觀察；按GB/4340.1—2009對材料顯微硬度進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 裂紋分析

渦輪轉(zhuǎn)子為盤軸一體結(jié)構(gòu)，由鍛件機加工+電解成形。渦輪轉(zhuǎn)子經(jīng)歷過長時間的熱試車，試車時渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速3×104r/min、所處環(huán)境溫度約700～750℃。該渦輪轉(zhuǎn)子在熱試車后的熒光檢查中發(fā)現(xiàn)多個葉片根部均存在裂紋。

渦輪轉(zhuǎn)子的宏觀形貌如圖1所示，目視觀察渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完好，未見變形，轉(zhuǎn)子葉片呈灰黑色，葉片顏色比盤面顏色深，渦輪轉(zhuǎn)子軸呈亮金屬色。

圖1 渦輪轉(zhuǎn)子的宏觀形貌Fig.1 Macro-morphology of turbo rotor

熒光滲透檢查結(jié)果表明GH4141轉(zhuǎn)子進氣側(cè)有7個葉片根部有線形顯示（轉(zhuǎn)子共計53 個葉片），出氣側(cè)有45個葉片根部有線形顯示。

體視顯微鏡下觀察，裂紋出現(xiàn)的位置及形態(tài)相似，裂紋距根部的距離基本相當、約2 mm，裂紋長度均在4 mm 以下，裂紋附近未見明顯宏觀塑形變形、機械損傷現(xiàn)象，典型形貌如圖2所示。

圖2 葉片根部裂紋宏觀形貌Fig.2 Macro-morphology of cracks in the blades’root

為了進一步放大觀察葉片表面裂紋的形貌特征，采用線切割方法在渦輪轉(zhuǎn)子進氣側(cè)和出氣側(cè)各取下一個帶有裂紋的葉片。將所取兩個試樣清洗，采用場發(fā)射掃描電鏡對裂紋進行微觀形貌觀察。兩個試樣表面微觀形貌相似，表面可見明顯沿晶顯示，晶界粗化明顯，晶面上可見多條滑移條帶，裂紋附近晶界粗化程度及滑移比其他區(qū)域嚴重。在裂紋區(qū)域表面進行能譜分析，分析結(jié)果表明葉片表面除基體元素外還含有較高的O 元素，表明葉片表面發(fā)生了高溫氧化和晶界的擇優(yōu)氧化。晶面上的滑移條帶表明葉尖裂紋附近區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了高溫蠕變現(xiàn)象，裂紋區(qū)域微觀形貌如圖3所示。

圖3 葉片根部裂紋表面微觀形貌Fig.3 Micro-morphology of cracks in the blades’root

2.2 斷口分析

進氣側(cè)和出氣側(cè)葉片裂紋斷口的宏觀形貌相似，裂紋斷口與人工斷口之間存在明顯的止裂線，裂紋斷口表面存在高溫氧化現(xiàn)象，斷口源區(qū)位于表面，為多源起裂，從源區(qū)到擴展區(qū)斷面的高溫氧化顏色逐漸減弱，由灰黑色逐漸過渡到亮黃色，表明裂紋源區(qū)高溫氧化程度嚴重，裂紋尖端高溫氧化程度相對輕，斷口宏觀形貌如圖4所示。

圖4 進氣口和出氣口兩個葉片斷口宏觀形貌Fig.4 Macro-morphology of blades’fracture

采用掃描電鏡和能譜分析儀對裂紋斷口不同區(qū)域進行微觀形貌，觀察結(jié)果表明兩個斷口的微觀形貌相似，斷口源區(qū)均位于表面，為多源起裂，源區(qū)均呈沿晶形貌，且晶面存在明顯的磨損和高溫氧化現(xiàn)象，沿晶區(qū)最大深度約為0.2 mm（約4 個晶粒尺度）；擴展區(qū)呈穿晶形貌，可見多條疲勞擴展弧線和明顯的疲勞條帶；人工斷口呈韌窩形貌，進氣口、出氣口斷口的微觀形貌如圖5、圖6所示。

圖5 進氣側(cè)葉片裂紋斷口微觀形貌Fig.5 Micro-morphology of inset blades’fracture

圖6 出氣側(cè)葉片裂紋斷口微觀形貌Fig.6 Micro-morphology of outset blades’fracture

2.3 微觀組織分析及顯微硬度測試

在渦輪轉(zhuǎn)子出氣側(cè)上另取一個帶裂紋的葉片，并將其制備成金相試樣進行組織觀察和顯微硬度測試。按照GB/T 14999—2012 對試樣的純潔度進行評級，為B類1c級。

圖7（a）給出的是試樣腐蝕后的顯微組織形貌，葉片組織為奧氏體+顆粒狀碳化物，按照GB/T 6394—2017 對試樣的晶粒度進行評級，結(jié)果為6～7 級。葉片的主裂紋附近存在一條平行裂紋，在深度方向上先沿晶擴展后穿晶擴展，裂紋起始位置（表面區(qū)域）呈楔形，裂紋內(nèi)部填充有高溫氧化物，附近區(qū)域表面晶界存在楔形氧化現(xiàn)象，如圖7（b）（c）所示。

圖7 葉尖根部裂紋及附近組織形貌Fig.7 Microstructure of the blades’root

采用顯微硬度儀對金相試樣進行硬度測試，結(jié)果為（HV0.2）：444、429、426、467、446，平均為461，相當于HRC45。

2.4 分析與討論

GH4141 渦輪轉(zhuǎn)子在試車后葉片表面存在高溫氧化現(xiàn)象，進氣側(cè)及出氣側(cè)均存在多個葉片在葉片根部發(fā)生開裂的現(xiàn)象，葉片根部裂紋的形態(tài)相似，裂紋及其附近區(qū)域存在明顯的沿晶氧化及滑移現(xiàn)象，表明裂紋區(qū)域在高溫及應(yīng)力的作用下發(fā)生了高溫蠕變和沿晶高溫氧化。

渦輪轉(zhuǎn)子裂紋斷口大部分區(qū)域呈灰黑色，與葉片表面顏色相近，高溫氧化嚴重，裂紋尖端區(qū)域呈亮黃色，高溫氧化程度相對輕，由于渦輪轉(zhuǎn)子的工作溫度相對較高（700～750℃），而裂紋斷口首先開裂區(qū)域（源區(qū)）位于表面，接觸高溫時間較長，導(dǎo)致高溫氧化程度嚴重。斷口分析結(jié)果表明源區(qū)呈沿晶形貌，晶面上存在明顯的磨損和高溫氧化，擴展區(qū)可見明顯的疲勞擴展弧線及疲勞條帶，表明裂紋的擴展區(qū)開裂模式為高溫疲勞。開裂葉片的金相分析結(jié)果表明葉片根部主裂紋及附近的平行微裂紋均存在楔形氧化現(xiàn)象，在深度方向上裂紋先沿晶擴展、后穿晶擴展，裂紋的沿晶區(qū)即為裂紋源區(qū)，穿晶區(qū)域為高溫疲勞擴展區(qū)。

高溫疲勞是指金屬在高溫及交變應(yīng)力作用下發(fā)生的開裂、斷裂現(xiàn)象，高溫疲勞一般伴隨高溫蠕變、高溫氧化現(xiàn)象。發(fā)動機渦輪葉片在氣動載荷、熱載荷、離心力復(fù)雜工況的作用下，最大應(yīng)力點位于葉片根部附近，葉片表面溫度場隨著葉片高度增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化，最高溫度點位于葉片根部附近。葉片根部厚度薄、剛度小，因此渦輪轉(zhuǎn)子在熱試車過程中的復(fù)雜工況下，葉片根部薄壁區(qū)首先發(fā)生高溫沿晶擇優(yōu)氧化并伴隨蠕變現(xiàn)象，形成的表面的晶界顯示、沿晶微裂紋和晶面上大量的滑移條帶。沿晶擇優(yōu)氧化程度主要與工作溫度、環(huán)境介質(zhì)有關(guān)，一般而言高溫合金表面沿晶氧化層越深表明工作溫度越高。

從渦輪轉(zhuǎn)子經(jīng)歷的試驗及裂紋出現(xiàn)的位置、形態(tài)分析結(jié)果判斷，渦輪轉(zhuǎn)子葉片裂紋位于葉片根部薄壁區(qū)，裂紋的開裂模式為高溫疲勞開裂，屬低周疲勞，為壽命型失效。試車過程中轉(zhuǎn)子葉片根部應(yīng)力集中部位在高溫及交變應(yīng)力的共同作用下，葉片表面區(qū)域發(fā)生蠕變，產(chǎn)生滑移，同時表面晶界發(fā)生擇優(yōu)氧化，高溫蠕變和沿晶氧化相互促進，導(dǎo)致葉片根部的晶界弱化開裂，形成了疲勞源區(qū)，在后續(xù)工作過程中進一步發(fā)生高溫疲勞擴展。

3 結(jié)論

（1）渦輪轉(zhuǎn)子葉片裂紋位于葉片根部進出口薄壁區(qū)，裂紋的開裂模式為高溫疲勞開裂，屬于低周疲勞。試車過程中轉(zhuǎn)子葉片根部應(yīng)力集中部位在高溫及交變應(yīng)力的交互作用下，葉尖根部應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生蠕變和晶界擇優(yōu)氧化，高溫蠕變和沿晶氧化相互促進，導(dǎo)致葉片根部的晶界弱化開裂，形成了疲勞源區(qū)，進而在后續(xù)工作過程中發(fā)生高溫疲勞擴展。

（2）渦輪轉(zhuǎn)子所用材料成分未見明顯異常、組織均為奧氏體+碳化物，在材料組織正常的情況下發(fā)生高溫疲勞開裂，應(yīng)改善葉片的熱力載荷工況來保證足夠的疲勞壽命裕度。