渦輪導向葉片裂紋失效分析

高 昊

（大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究有限公司，遼寧 大連 116016）

0 引言

鎳基高溫合金具有較高的高溫強度及良好的塑性，被廣泛應用于航空發動機熱端部件，特別是用于制造渦輪葉片和導向葉片。K417G 合金是一種既可以用于制備渦輪葉片也可以用于制備導向葉片的不含W 和貴金屬元素的低成本合金，其生產的零件通常在鑄態下使用[1-2]。

鎳基高溫合金鑄件力學性能在很大程度上受晶粒度[3]和微觀組織的影響。粗晶合金的力學性能數據分散，尤其是低周疲勞性能低。而細晶合金在中、低溫（＜760 ℃）條件下的低周疲勞壽命顯著提高，鑄件力學性能數據分散度減小[4]。生產過程中通常采用熱控法和化學法控制晶粒度，熱控法是通過控制合金的澆注溫度限制晶粒長大來獲得細晶。化學法是通過加入孕育劑獲得細小晶粒，化學法需依賴于較低的澆注溫度。上述兩種方法都容易導致葉片中出現熱裂、欠鑄、冷隔、疏松等缺陷。

某型發動機低壓渦輪三級導向葉片屬于薄壁長鑄件，在采用精密鑄造工藝生產高溫合金葉片時，由于受合金、工藝等參數影響，鑄件容易出現裂紋缺陷。該發動機整機經試驗后分解檢查發現，低壓渦輪三級導向葉片組中一片葉片葉身存在裂紋，本文對該葉片進行詳細分析，確定裂紋性質，并提出了改進意見。

1 失效分析

1.1 宏觀檢查

故障低壓渦輪三級導向葉片宏觀圖像如圖1 所示，裂紋位于葉片前緣，距緣板下表面約2.5 mm，如圖1 中箭頭所示位置。裂紋已貫穿葉片前緣厚度方向，在葉盆側及葉背側長度均約1 mm，如圖2 所示。將表面涂層打磨，在掃描電鏡下放大觀察裂紋，可見裂紋不連續現象，呈跳躍式擴展，并且主裂紋附近存在小裂紋，如圖3 中箭頭所示。

圖1 故障低壓渦輪導向葉片宏觀圖像

圖2 故障低壓渦輪導向葉片裂紋放大形貌

圖3 故障低壓渦輪導向葉片裂紋局部放大形貌

1.2 斷口分析

將裂紋打開，圖4 為故障葉片裂紋斷口宏觀圖像，斷口表面平坦，呈灰黑色，可見明顯的枝晶形貌特征，未見明顯的機械載荷導致的斷裂特征。

圖4 故障低壓渦輪導向葉片斷口宏觀形貌

在掃描電鏡下對斷口進行觀察，斷口表面可見明顯的枝晶形貌，枝晶側枝不發達，放大觀察枝晶外表面呈光滑的“土豆”狀，如圖5 所示，這是枝晶間處于液膜連接時斷口的主要特征，初步判斷該裂紋為鑄造過程中產生的熱裂紋。進一步放大觀察，斷口表面被氧化顆粒覆蓋，未見明顯的機械斷裂特征。

圖5 故障低壓渦輪導向葉片斷口放大形貌

對斷口表面進行能譜分析，結果如圖6 及表1 所示，裂紋斷口表面氧化嚴重，Al、Ti 元素含量明顯高于標準要求，說明正偏析元素Al、Ti 在該斷面產生了偏析。另外，斷口表面Al 元素含量大大超出標準要求，可能是滲鋁硅工藝導致的Al 元素在斷口表面富集，進一步說明裂紋出現在滲鋁硅工藝之前。

表1 裂紋斷口表面及人為打開區能譜分析結果

圖6 斷口表面能譜分析示意圖

1.3 組織檢查

將斷口拼接后對其截面進行組織分析，葉片基體組織由γ 固溶體基體、γ'析出相及富Ti 和Mo 的碳化物組成，如圖7 所示。而在裂紋部位組織存在大量（γ+γ'）共晶相，并且可見向基體內部擴展的微裂紋，如圖8 所示。

圖7 葉片基體組織形貌

圖8 裂紋一側組織形貌

裂紋部位組織存在大量（γ+γ'）共晶相是因為合金以枝晶凝固時，由于Al、Ti 等正偏析元素由固液界面前端排出，偏聚于枝晶間，這些元素在枝晶間最后凝固的殘余液相中會達到較高的含量，當成分到達共晶點時，產生粗大的共晶組織，即共晶的產生主要來源于合金元素的偏析。

2 分析與討論

經失效分析結果表明，導向葉片葉身裂紋呈以下特征：裂紋不連續，呈跳躍式擴展；斷口表面可見明顯的枝晶形貌，枝晶側枝不發達，放大觀察枝晶外表面呈光滑的“土豆”狀，這是枝晶間處于液膜連接時斷口的主要特征；裂紋部位組織存在大量（γ+γ'））共晶相。上述特征表明故障低壓渦輪三級導向葉片葉身裂紋為鑄造熱裂紋。

合金凝固過程中，在低于合金液相線30～50 ℃溫度范圍內，枝晶很快就形成彼此交連的骨架，這時鑄件整體上已具有固體性質。僅在枝晶間存在少量液體。當這種剛性連接的枝晶骨架進一步降溫時發生線收縮，如果因某種原因使得線收縮受阻，則在鑄件內部可能產生拉應力，當拉應力超過了該合金在該溫度的強度極限時就會產生熱裂。

K417G合金的固-液溫度范圍為1286～1342℃[5]，Δtl-s=56 ℃，可見該合金結晶溫度區間較小，鑄造性能較好。但是高溫合金中作為沉淀強化元素的Ti，同時由于它屬強正偏析元素[6]，在合金凝固過程中，富集于液-固界面的液相部分，因此對合金凝固特性影響很大。另外，Ti 在基體Ni 中的熔點（1 672 ℃）遠遠高于沉淀強化元素Al 的熔點（660 ℃），因而致使合金具有較高的有效結晶溫度上限，這就決定了合金凝固時所形成的枝晶骨架堵塞了合金液的補縮通道。有關資料指出[7]，當Ti 在合金中的質量分數超過1%后，將明顯增大有效結晶溫度區間，惡化合金的流動性，是導致鑄件熱裂與疏松不可忽視的因素之一。

在導向葉片的凝固過程中，澆注速度快，凝固時間短，枝晶很快就形成彼此交連的骨架，僅在枝晶間存在少量液體，無法對凝固前沿進行有效補縮，并且導向葉片葉身與緣板轉接R 處受到型殼對合金收縮的阻礙，使其成為整個葉片凝固過程中鑄造應力最大的部位，也是最容易出現鑄造熱裂紋的部位。此外，斷口表面能譜分析結果表明，裂紋部位Ti 元素存在偏析，使該部位結晶溫度區間增大，也是葉身與緣板轉接R 處形成熱裂紋的主要影響因素。

3 改進建議

1）對于薄壁長零件導向葉片，要求較高的澆注溫度，使凝固速率緩慢均勻，從而減少熱裂傾向。

2）在造型材料上應選擇具有良好高溫退讓性的造型材料。

4 結論

1）某型發動機低壓渦輪三級導向葉片葉身裂紋為鑄造熱裂紋。

2）導向葉片葉身與緣板轉接R 處冷卻條件差，并且受到型殼對合金收縮的阻礙是形成熱裂紋的主要原因。

3）正偏析元素Ti 使裂紋部位結晶溫度區間增大，促進了熱裂紋的形成。