航空發動機壓氣機葉片黑斑的形成原因分析

貴州黎陽航空動力有限公司，貴州 貴陽 550014

壓氣機轉子葉片工作環境十分惡劣，在工作狀態下主要承受氣動負荷、離心負荷、振動負荷、熱負荷、榫頭微動損傷等。例如，如果地面有沙石吸入，易打傷葉片；如果空中有鳥類撞入，會打斷葉片；如果在沿海受到鹽霧腐蝕，會誘發葉片疲勞裂紋萌生、擴展，直到斷裂。壓氣機轉子葉片應具有較高的組織穩定性，在溫度和應力長期作用下，不析出有害相，保持材料組織穩定，不降低葉片的使用性能[1-2]。

某發動機壓氣機用鈦合金葉片在精鍛后進行化銑加工時，發現葉片葉身局部位置出現表面黑斑，對葉身表面進行打磨后重新化銑，其黑斑仍存在。為研究葉片黑斑的形成原因，規避葉片使用的安全隱患，現針對葉身表面的黑斑形成原因進行分析。

1 宏觀分析

對產生黑斑的葉片進行宏觀檢查，葉片的黑斑位于葉身中部，其中葉盆側黑斑尺寸約為3mm×3mm，與之對應的背側黑斑尺寸約為1.5mm×1.5mm，如圖1所示。在體視顯微鏡下觀察，葉片的黑斑位置未見開口特征。

圖1 葉片黑斑形貌

2 微觀分析

在葉片黑斑位置和正常位置取樣進行金相檢查，金相檢查的方向為平行于表面方向。腐蝕前觀察，黑斑位置形貌與正常位置相同，未見異常。腐蝕后觀察，發現黑斑位置易受腐蝕，其腐蝕后顏色偏深，在金相顯微鏡下觀察，黑斑位置的顯微組織為初生長條α+β轉，缺陷位置的次生α較為明顯，呈條狀；正常位置的顯微組織也為初生長條α+β轉，但次生α呈隱針狀；同時，正常位置的初生α含量略低于缺陷位置，如圖2、圖3所示。在表面方向，葉片缺陷位置和正常位置長條α最大尺寸分別為0.09mm和0.16mm。

圖2 葉片表面組織形貌（100×）

圖3 葉片表面組織形貌（500×）

在葉片缺陷位置和正常位置沿葉身縱向和橫向取樣進行組織檢查，腐蝕前觀察，縱向和橫向試樣均未見異常；腐蝕后觀察，縱向試樣的組織與表面試樣相同，黑斑位置易受腐蝕，缺陷位置和正常位置的顯微組織均為初生長條α+β轉，缺陷位置的次生α較為明顯，呈條狀；正常位置的次生α呈隱針狀；正常位置的初生α含量略低于缺陷位置，如圖4、圖5所示。葉片縱向缺陷位置和正常位置長條α最大尺寸分別為0.05mm和0.05mm，符合相關技術要求。

圖4 葉片葉身縱向組織形貌（100×）

圖5 葉片葉身縱向組織形貌（500×）

橫向試樣缺陷位置組織為初生塊狀α+β轉，正常位置的顯微組織均為初生塊狀和少量長條狀α+β轉，正常位置的初生α含量略低于缺陷位置，缺陷位置的次生α較為明顯，如圖6、圖7所示。所有方向的缺陷位置均未見過渡區組織。

圖6 葉片葉身橫向組織形貌（100×）

圖7 葉片葉身橫向組織形貌（500×）

在葉片的缺陷位置和正常位置進行顯微維氏硬度檢查，試驗荷載為300g，荷載加載時間為10s。試驗結果如表1所示。顯微硬度檢查的結果表明，缺陷位置的維氏硬度HV0.3略低于正常位置。

表1 葉片顯微維氏硬度檢查結果 單位：HV0.3

在掃描電鏡下對葉片縱向缺陷位置和正常位置進行檢查，缺陷位置和正常位置形貌如圖8、圖9所示，缺陷位置和正常位置的組織形貌相似，均為初生長條α+β轉，缺陷位置的次生α較為明顯，呈條狀；正常位置的次生α呈隱針狀。

圖8 葉片葉身縱向SEM形貌一

圖9 葉片葉身縱向SEM形貌二

分別在缺陷位置和正常位置各取3個區域進行能譜成分分析，結果如表2所示。能譜成分分析的結果表明，缺陷位置和正常位置的成分相近，缺陷位置的Al、Zr含量略高于正常位置（約為0.1%）。

表2 能譜成分分析 單位：mass%

3 綜合分析

壓氣機葉片在精鍛后進行化銑加工時，發現葉片葉身位置存在黑斑，黑斑形貌相似，大小略有不同，且在葉盆和葉背的對應位置均有顯示。對葉片進行觀察，葉片黑斑位置均未見開口特征。對黑斑位置和正常位置進行組織檢查，在表面方向，葉片缺陷位置和正常位置長條α最大尺寸分別為0.09mm和0.16mm，其滿足相關檢查標準要求，如果長條α尺寸超標，在后續表面腐蝕時，會引起零件表面出現亮條紋[3]。在縱向和橫向兩個方向，黑斑位置和正常位置的顯微組織均符合要求。對以上三個方向進行檢查，均未發現黑斑位置存在過渡區組織。

分別對黑斑位置和正常位置進行顯微維氏硬度檢查，黑斑位置的硬度略低于正常位置，對其進行能譜成分分析可知，黑斑位置Al、Zr含量略高于正常位置（約為0.1%），這兩點表明黑斑處相對正常位置為局部富Al、Zr的硬偏析。在鈦合金中，Al為穩定元素，Zr為中間元素，在對缺陷位置和正常位置進行高倍檢查時，發現缺陷位置的次生α呈長條狀，而正常位置的次生α呈隱針狀，致使黑斑位置組織較正常位置更易受腐蝕。另外，次生α形態差異的存在可明確表明葉片在鍛造過程中，組織轉變不均，這與其所處的變形量、變形速率及溫度場的不均有關[4]，從而使葉片缺陷位置與正常位置的形貌表現產生明顯差異。

4 結論

（1）葉片黑斑位置和正常位置在縱向和橫向兩個方向的組織符合要求，在表面方向黑斑位置和正常位置均存在長條α，最大尺寸分別約為0.09mm和0.16mm。

（2）葉片黑斑位置的Al、Zr含量略高于正常位置，黑斑位置的次生α呈長條狀，正常位置的次生α呈隱針狀，黑斑位置的硬度略低于正常位置。

（3）葉片黑斑產生的原因與鍛造過程中的變形或溫度不均有關。