TA12鈦合金加力筒體局部異常變色失效分析

劉博志，林中楠，韓振宇

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

加力筒體是航空發動機加力燃燒室的重要組成部分，對增大發動機短時推力，提高戰斗機動力和機動性能都有重要作用。同時，加力筒體也是加力燃燒室的主要承力部件，前端連接主機，后端連接矢量噴管部件，作為矢量噴管的基礎承力部件配合安裝矢量噴管的主要作動機構，并承受其載荷；另外，作為發動機與飛機的輔助連接部件，提供與飛機的連接吊掛接口，并承受其安裝、機動和噴管偏轉載荷[1]。某航空發動機在試車過程中出現加力筒體局部異常變色現象，對發動機后續安全穩定運行構成威脅。因此，對加力筒體變色部位的可靠性評估尤為重要。

隨著發動機燃油溫度提高及推力矢量技術的應用，對加力筒體的耐溫能力、強度、剛性等性能的要求進一步提高，其可靠性對發動機至關重要。Jeffery A L 等[2]研究了加力燃燒室在溫度過高和燃油自燃等條件下，加力筒體等相關構件的耐久性和可靠性呈顯著下降的趨勢；孫雨超等[3]針對未來高推重比航空發動機加力燃燒室的設計需求，優化了加力筒體等構件的設計方案，能夠較好地組織加力燃燒室內部燃燒，綜合性能良好。目前，國內航空發動機加力筒體主要采用新型鈦合金TA12制成[4-5]，TA12是一種綜合性能良好的Ti-Al-Sn-Zr-Mo 近α 型熱強高溫鈦合金，由中國自行研制。利用TA12鈦合金板材制造的航空發動機加力筒體、盤軸、葉片等零部件，均可在550 ℃下能長期工作[6-7]。該合金具有良好的工藝塑性和超塑性，適用于各種壓力加工成型和各種方式的機械加工[8]。生產的半成品主要有板材、棒材和鍛件，也可用于鑄件生產[9]。任萍等[10]采用TA12A鈦合金板材制成網格結構的加力筒體，具有輕量化和耐高溫性能的特點，從而進一步提高了發動機的推重比。

為了分析故障加力筒體發生異常變色的原因，本文分別從加力筒體基體材質的力學性能和組織形態出發，通過開展多種失效分析手段與模擬試驗相結合的方法，明確了TA12 鈦合金板材在空冷狀態下加熱溫度與組織和性能的關系，綜合評估了故障加力筒體異常變色部位的基體性能，對其后續服役試車提出相應的建議。

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀檢查

故障加力筒體局部宏觀圖像如圖1 所示。從圖中可見，故障加力筒體外壁表面多處存在異常變色區域，其面積及分布無明顯規律，但顏色從中心到四周逐漸呈暗灰色、暗黃色、淡藍色、深藍色、深黃色的變化規律，個別異常變色區中心部位產生少量凸起塑性變形。

圖1 故障加力筒體局部（宏觀）

1.2 成分分析

利用尼通XL3t 980手持合金分析儀對故障加力筒體不同部位表面進行成分分析，結果見表1。其不同部位的主要合金元素質量分數與材料標準要求基本相符。

表1 故障加力筒體表面成分分析結果 wt/%

2 分析討論及模擬試驗

2.1 失效性質判斷

對故障加力筒體外壁表面的異常變色區進行初步判斷認為，在發動機加力狀態下進行試驗試車過程中，由于加力燃燒室內的溫度場不均勻，導致加力筒體在異常變色區發生超溫故障。分析結果表明：故障加力筒體超溫區與未超溫區的成分一致，符合標準要求。

2.2 加熱模擬試驗及結果分析

2.2.1 溫－色演變規律

故障加力筒體外壁表面存在異常變色區表明TA12鈦合金材料構件在不同加熱條件下呈現不同的顏色變化。為進一步判斷本次故障中加力筒體變色部位的具體超溫情況，參考試驗試車數據開展溫-色演變規律試驗研究，找出加熱條件與TA12 鈦合金構件表面顏色變化的規律。并根據溫-色試驗結果，判斷故障加力筒體外壁在試車試驗過程中經歷的最高溫度，及異常變色區的溫度分布情況。

加熱溫度和保溫時間是溫-色演變規律試驗的2個主要影響因素。

（1）分析加熱溫度對TA12 鈦合金板材試樣表面顏色的影響。根據試車參數及相關數據，該部分試驗的加熱溫度選擇為300～1000 ℃，溫度間隔為50 ℃，保溫時間為10 min，冷卻方式為空冷。在不同溫度下試樣表面分別呈現不同顏色。在450 ℃以下試樣表面顏色幾乎未發生變化；當加熱至500 ℃時試樣表面開始微微變黃；繼續加熱至550 ℃后變成深黃色；至600 ℃時變成黃紫色；至650 ℃時變成深紫色；至700 ℃時呈深藍色；至750 ℃時呈淡藍色；至800 ℃時呈粉色；至850 ℃時顏色重新轉變為暗黃色；當至900 ℃以上時轉變為暗灰色。具體的溫-色演變規律如圖2所示。

（2）保溫時間對TA12 鈦合金板材表面顏色的影響。將保溫時間延長至60 min，分別選擇450、550 和650 ℃3 個溫度點對試樣進行試驗，結果見表2。從表中可見，隨著保溫時間的延長，試樣的表面顏色介于同溫度和稍高溫度（+50 ℃）短時加熱試樣的顏色之間；而且隨著加熱溫度的升高，保溫時間的長、短對試樣顏色影響的差異越來越小（以650 ℃為例）。

圖2 TA12鈦合金板材溫-色演變規律（保溫10 min）

表2 保溫時間對TA12鈦合金板材表面顏色的影響

2.2.2 變色部位溫度判斷

根據上述溫-色演變規律試驗研究結果總結如下：加熱溫度是TA12 鈦合金板材表面顏色變化的主要影響因素；保溫時間對TA12 鈦合金板材表面顏色的影響程度小于加熱溫度的影響；隨著加熱溫度的升高，保溫時間對TA12 鈦合金板材表面顏色的影響效果越來越小。根據以上試驗結果，對故障加力筒體尾端超溫變色部位經歷的最高溫度范圍進行判斷：超溫區中心位置的溫度可達850 ℃左右，四周的淡藍色區溫度約為750 ℃，深藍色區溫度約為700 ℃，未發生異常變色的深黃色區溫度約為450～550 ℃。具體的溫度區域判斷如圖3 所示。可見，故障加力筒體異常變色部位已明顯超過TA12 鈦合金板材550 ℃以下的長期允許使用溫度，故障加力筒體局部嚴重超溫。

2.2.3 力學性能測試與可靠性分析

圖3 故障加力筒體外壁表面溫度區域判斷

表3 溫－色試樣硬度測試結果（HMV）

圖4 硬度測試結果統計

為了對故障加力筒體能否繼續試車服役進行量化判斷，需要測評故障部位的材料性能。對溫-色試驗試樣進行硬度測試，測量結果見表3，統計如圖4所示。從表3 和圖4 中可見，在約800 ℃以下，隨著預加熱溫度升高，試樣硬度值不斷減小；在約800 ℃以上，隨著預加熱溫度的升高，試樣硬度值略微增大。

為判斷加力筒體超溫變色部位的強度，尤其在設計溫度（475 ℃）以下時，對溫-色試樣取樣分別進行室溫（20 ℃）和475 ℃高溫下拉伸性能測試，測量結果見表4、5，統計結果如圖5、6所示。對比分析TA12鈦合金板材溫-色試樣在室溫和475 ℃條件下的強度、延伸率及斷面收縮率等測試結果可知：兩組試樣的室溫強度和高溫（475 ℃）強度均隨預加熱溫度的升高而緩慢降低，并且都在800 ℃左右時降至最低，之后隨著預加熱溫度的升高都呈提高趨勢。并且，對于TA12 鈦合金板材試樣，在經過900 ℃以上的預加熱（空冷）處理后，其高溫（475 ℃）強度甚至大于原始狀態試樣的。在兩組拉伸試驗中，各試樣的延伸率及斷面收縮率均未發生明顯變化，表明其塑性和韌性指標無明顯改變。因此，TA12鈦合金板材溫-色試樣的力學性能隨著經歷過的最高溫度的升高呈先降低后提高的趨勢。

表4 室溫拉伸性能測試結果

表5 475 ℃下拉伸性能測試結果

圖5 室溫拉伸性能測試結果統計

圖6 475 ℃下拉伸性能測試結果統計

針對故障加力筒體用TA12鈦合金板材試樣的硬度測試及不同溫度下的拉伸性能測試，通過統計結果得出：TA12 鈦合金板材在經歷過800 ℃左右的超溫后，材料性能降至最低；隨著經歷過的最高溫度的升高，材料性能開始反彈上升。本次故障中加力筒體變色部位中心區域的超溫程度已經達到800 ℃以上，并且出現少量的塑性變形，表明加力筒體局部的力學性能已經顯著降低，該故障加力筒體不再適合繼續服役試車。

2.2.4 組織演變規律

為掌握TA12 鈦合金板材力學性能的變化規律，對不同試驗參數的溫-色試樣進行金相組織分析，其微觀形貌如圖7 所示。TA12 鈦合金板材基體為具有一定織構方向的等軸組織，主要為等軸初生α相和β轉變組織[11-12]。隨著加熱溫度的升高，基體組織中β相的質量分數逐漸降低，在800 ℃時降至最低[13]。說明β相隨著加熱溫度的升高不斷轉變為α+β相，α相的質量分數逐漸增多。而初生α相的數量及大小對合金的斷裂韌度影響極大，初生α相質量分數增多時斷裂韌度降低[14-15]，該現象與拉伸性能測試中溫-色試樣性能逐漸降低相對應。而且，組織中球狀的ZrO2和SiO2起到釘扎作用[16]，隨著試樣溫度的升高，ZrO2與SiO2相應減少，釘扎作用降低，導致強度也進一步降低。當加熱溫度升高到900 ℃時，α相開始轉變，初生α相質量分數降低，β轉變組織質量分數明顯增加，與之相對應的力學性能開始提高[17-18]。經過950 ℃加熱試樣組織已經完全轉變為雙態組織，同時力學性能明顯提高，甚至在高溫下的拉伸性能高于原始試樣的。該現象與雙態組織拉伸性能明顯高于等軸組織的規律一致[19]。

圖7 金相組織微觀形貌（500倍）

3 結論

（1）某航空發動機TA12 鈦合金加力筒體異常變色區發生超溫故障，超溫區中心位置的溫度可達850 ℃左右；

（2）TA12鈦合金板材溫-色試樣經加熱處理后強度及硬度均呈先降低再提高的趨勢，力學性能在800 ℃左右達到最低值；

（3）TA12 鈦合金板材溫-色試樣組織分析表明：隨著溫度的升高，基體組織中α相的質量分數逐漸升高，導致力學性能降低；隨著加熱溫度的繼續升高，基體組織由等軸組織逐漸轉變為雙態組織，導致力學性能提高；

（4）故障加力筒體變色部位中心的超溫程度在800 ℃以上，加力筒體局部位置力學性能明顯降低，其可靠性無法保證。該加力筒體以不再適合繼續參與服役試車，建議后續對該零部件進行更換，并定期對其外觀狀態進行檢查。