高壓渦輪葉片葉尖裂紋激光焊修復(fù)研究

徐 健，于 萍，常 敏，常智勇

（1.海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室,沈陽110043；2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽110043）

0 引言

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪工作葉片葉尖裂紋現(xiàn)象比較嚴(yán)重，這些裂紋沿葉片高度方向呈線性分布,且會(huì)隨工作時(shí)間的延長而增多。這一類型葉片內(nèi)部多為空心氣冷迷宮狀型腔結(jié)構(gòu)[1]，葉尖有冷氣孔，葉尖幾何形狀為空心逗號(hào)型，壁厚為0.9～2.0mm。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和使用維護(hù)規(guī)程中都有明確規(guī)定，如俄羅斯的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：高壓渦輪工作葉片葉尖上的裂紋長度大于2.5mm，間距小于3mm，裂紋總數(shù)多于5條的葉片不得使用[2]。據(jù)俄羅斯相關(guān)專家介紹和資料記載，俄羅斯尚無該種材料葉片的修理方法，歐美等國家對(duì)渦輪工作葉片的修理工藝也只是停留在理論研究階段[3]。因此，該類裂紋不僅影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的修復(fù)進(jìn)度，也增加了修理費(fèi)用。

本文為解決高壓渦輪工作葉片葉尖裂紋問題，提升中國修理技術(shù)能力和工藝水平，開展了葉尖裂紋激光焊接修復(fù)技術(shù)研究。

1 裂紋產(chǎn)生的原因分析

某型發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪工作葉片采用雙腔冷卻結(jié)構(gòu)，在葉片中部通道的葉尖蓋板上開通孔以及在尾緣處開縫隙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有一定抵抗灰塵污染的能力，能防止葉身內(nèi)灰塵堆積，也提高了葉片頂端蓋板的冷卻效果[4]。在工作時(shí)，在離心力與氣動(dòng)力的作用下，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力[5]。在高速燃?xì)饬鞯淖饔孟?，葉片受到振動(dòng)應(yīng)力，而葉片各處溫度分布不同，又形成了溫差應(yīng)力；葉片表面的溫度還因發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)或停車而急劇變化，使葉片承受熱疲勞；而燃?xì)庵械碾s質(zhì)，又使葉片發(fā)生腐蝕[6-7]。在這些因素的共同作用下，高壓渦輪工作葉片成為發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最惡劣的零件之一[8-9]，也使得該葉片的葉尖長時(shí)間工作后出現(xiàn)裂紋。

1.1 葉片葉尖裂紋的狀態(tài)及統(tǒng)計(jì)

選取了該發(fā)動(dòng)機(jī)15片因葉尖裂紋而報(bào)廢的高壓渦輪工作葉片進(jìn)行激光修復(fù)研究。在修復(fù)前借助著色顯示和放大鏡對(duì)裂紋進(jìn)行觀察和記錄，其結(jié)果見表1。

從表1中可見，葉盆裂紋數(shù)明顯多于葉背的，編號(hào)4162的葉片裂紋有8條為最多，主要集中在曲率半徑最大處，裂紋最長的為4.5mm，最短的為0.3mm。

表1 裂紋部位和編號(hào)數(shù)目統(tǒng)計(jì)

1.2 葉片葉尖平面形貌

將編號(hào)為4162的葉片整體放入掃描電鏡觀察，明顯可見在葉尖端面有明暗相間的磨損條帶存在，如圖1所示，對(duì)明暗條帶進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)有氯、氧、碳元素存在，表明葉尖遭受了復(fù)雜的熱腐蝕過程[10]。

圖1 葉尖端面磨損形態(tài)

1.3 葉片葉尖裂紋形態(tài)

裂紋編號(hào)、分布及直線長度如圖2所示。取編號(hào)為1212的葉片進(jìn)行解剖分析，可見在葉尖葉盆側(cè)有1條裂紋，而在葉背側(cè)有3條裂紋，為了確定在大裂紋周圍是否還有小裂紋存在，用線切割方法將葉片按圖2（a）所示部位切下，制成金相試樣，在100倍金相顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)在不到5mm的范圍內(nèi)有多達(dá)8條裂紋存在，最長的裂紋直線距離約為3mm，最短的裂紋約為60μm，裂紋間距為250～1500μm不等。最長的裂紋出現(xiàn)了2次向上分叉。

圖2 葉片切片部位及裂紋分布

用掃描電鏡對(duì)裂紋進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，無論是小裂紋還是大裂紋的擴(kuò)展路徑都很平直，且無分叉，如圖3所示。裂紋的斷口比較光滑，有明顯的穿晶發(fā)展的特征，裂紋超過一定限度，氧化和塑性變形累積損傷很大時(shí)，裂紋就會(huì)出現(xiàn)分叉，如圖4所示。在裂紋內(nèi)部存在腐蝕產(chǎn)物，如圖5所示。

圖3 平直無分叉大裂紋

圖4 有2個(gè)分叉的主裂紋低倍形貌

綜上所述，高壓渦輪工作葉片葉尖裂紋有如下特點(diǎn)：

（1）葉盆裂紋明顯多于葉背裂紋。

（2）裂紋多發(fā)生曲率半徑最大處。

（3）裂紋有長有短，長裂紋旁邊有短裂紋存在。

（4）長裂紋分叉，短裂紋不分叉。

（5）裂紋起始端平直。

（6）裂紋內(nèi)有腐蝕產(chǎn)物存在。

圖5 裂紋內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物

1.4 葉片葉尖裂紋形成與發(fā)展特性

首先，對(duì)圖2中的葉片切片試樣拋光在金相顯微鏡下觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，試樣表面在沒有用任何侵蝕劑侵蝕的情況下，就明顯看到晶界，表明葉片尖部發(fā)生內(nèi)氧化。其次，用掃描電鏡和能譜對(duì)裂紋進(jìn)行分析，觀察到葉尖端部有大量腐蝕坑存在，在裂紋起始端有明顯的腐蝕坑，如圖6所示。經(jīng)能譜分析裂紋內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物主要為碳化物和氧化物。將小裂紋放大觀察，發(fā)現(xiàn)在腐蝕層中央有裂紋，裂紋在腐蝕層內(nèi)擴(kuò)展，但裂紋尖端沒有穿過腐蝕層，表明裂紋是先腐蝕后開裂。

在裂紋擴(kuò)展過程中，熱循環(huán)導(dǎo)致材料和裂紋表面不斷腐蝕氧化，有時(shí)材料會(huì)出現(xiàn)大塊腐蝕氧化脫落現(xiàn)象，裂紋增寬。能譜分析結(jié)果表明，裂紋中部仍然以氧化物和碳化物為主，出現(xiàn)了很多三氧化二鋁塊。

在熱循環(huán)過程中，雖然破壞材料主要以穿晶為主，但有時(shí)因局部嚴(yán)重晶界內(nèi)氧化而出現(xiàn)沿晶開裂，如圖7所示，裂紋分叉多發(fā)生在γ-γ'共晶處，腐蝕沿晶界擇優(yōu)進(jìn)行，裂紋主要沿晶界擴(kuò)展，但也有裂紋穿過晶粒和氧化裂紋相連接而擴(kuò)展。與應(yīng)力垂直的裂紋尖端沒有腐蝕產(chǎn)物，裂紋是先開裂后腐蝕，而不與應(yīng)力垂直的裂紋尖端有腐蝕產(chǎn)物，是先腐蝕后開裂。

圖6 裂紋起始端的腐蝕坑

圖7 分叉裂紋尖端氧化開裂

綜上所述，高壓渦輪工作葉片葉尖裂紋形成與發(fā)展是環(huán)境和熱應(yīng)力復(fù)合作用的結(jié)果[11]。葉片表層材料發(fā)生衰變和形成局部腐蝕坑，這些腐蝕坑在熱循環(huán)過程中起缺口效應(yīng)，容易造成微裂紋，是潛在的裂紋源。裂紋出現(xiàn)后，形成了燃?xì)鈨?nèi)侵蝕通道，有氧化物和碳化物等腐蝕產(chǎn)物，這些氧化物和碳化物像釘子一樣深入到金屬內(nèi)部，形成“釘扎效應(yīng)”[12]。在循環(huán)應(yīng)變下，裂紋內(nèi)淤塞的腐蝕產(chǎn)物起著楔子的作用，在裂紋尖端處造成附加應(yīng)力，促進(jìn)裂紋擴(kuò)展；在裂紋擴(kuò)展過程中，熱腐蝕導(dǎo)致裂紋面氧化增寬；材料晶界腐蝕為分叉裂紋提供核心，并在熱應(yīng)力作用下擴(kuò)展。主裂紋的擴(kuò)展是先開裂后腐蝕，分叉裂紋的擴(kuò)展是先腐蝕后開裂。

2 激光焊接修復(fù)方案的原則

（1）由于葉片葉尖存在氧化腐蝕、組織衰變，要徹底清除裂紋，要先清除腐蝕層和組織衰變層，但又不能使基材損傷過大，因此開口大小要合適。

（2）補(bǔ)焊材料要與基體材料有良好的相容性，熱膨脹系數(shù)相近，補(bǔ)焊材料具備良好的高溫力學(xué)性能和熱疲勞性能。

（3）材料熱敏感性高，補(bǔ)焊區(qū)域小，因而選用熱輸入小的釹:釔鋁石榴石固體激光器作為補(bǔ)焊熱源。

（4）葉片裂紋補(bǔ)焊屬3維立體空間補(bǔ)焊，而材料熱敏感性很高，在激光補(bǔ)焊時(shí)需要在整個(gè)補(bǔ)焊區(qū)預(yù)置一定厚度的涂層將基體有效保護(hù)起來。

（5）為實(shí)現(xiàn)3維空間立體補(bǔ)焊，擬采用優(yōu)化積分焊路徑。

（6）氬氣全方位保護(hù)以便實(shí)現(xiàn)激光粉末無污染冶金過程。

（7）考慮到葉尖容易腐蝕成為裂紋源，擬施加防氧化涂層，提高葉尖抗氧化、熱腐蝕的能力。

（8）激光凝固組織是非平衡胞枝晶組織，組織不穩(wěn)定，需要在修復(fù)后進(jìn)行組織穩(wěn)定化處理。[13]

3 補(bǔ)焊材料的選擇

3.1 葉片的基體材料

對(duì)葉片基體材料進(jìn)行理化分析，見表2。

表2 葉片基體材料化學(xué)成分

3.2 葉片基體材料的激光焊接性試驗(yàn)

將試驗(yàn)片進(jìn)行表面清理、除油、干燥，采用釹：釔鋁石榴石固體脈沖激光加工機(jī)用不同的工藝進(jìn)行激光熔凝試驗(yàn)。葉片材料的焊接性非常差，即使采用熱作用非常小的固體脈沖激光焊機(jī)進(jìn)行加工，仍然無法避免裂紋的產(chǎn)生，所以對(duì)這樣的材料進(jìn)行補(bǔ)焊非常困難，只要激光直接作用在基材上，材料就會(huì)產(chǎn)生裂紋，如圖8所示。

圖8 激光熔凝裂紋

3.3 補(bǔ)焊材料的選取與熱疲勞性能試驗(yàn)

選取鎳基高溫合金作為補(bǔ)焊材料，為檢驗(yàn)鎳基高溫合金粉末材料的抗熱疲勞性能，進(jìn)行了熱疲勞試驗(yàn)。將對(duì)應(yīng)粉末的補(bǔ)焊區(qū)拋光，金相檢查無裂紋后用實(shí)驗(yàn)室自制的熱疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：20℃±5℃（5s）?900℃±10℃（55s）。每5個(gè)循環(huán)，取下試樣用10倍放大鏡觀察，共發(fā)現(xiàn)了30條裂紋。

4 補(bǔ)焊試驗(yàn)過程

4.1 清除裂紋工藝過程

首先對(duì)需要修復(fù)的葉片葉尖進(jìn)行著色，顯示裂紋，然后基于既要易于激光焊又要使基材損傷最小還能徹底清除裂紋的原則，根據(jù)裂紋是單直裂紋、密集度裂紋、單拐裂紋、過坎裂紋還是非過坎裂紋等具體情況，用機(jī)械打磨，然后采用著色跟蹤法清除裂紋。2014號(hào)葉片的葉背單條裂紋及對(duì)應(yīng)位置打磨開口情況如圖9所示。

圖9 2014號(hào)葉片單條裂紋及對(duì)應(yīng)開口情況

4.2 補(bǔ)焊區(qū)保護(hù)層預(yù)置

首先，將葉片葉尖浸入有機(jī)溶劑用超聲波清洗40min；然后，用鎳基高溫合金用微弧火花在整個(gè)補(bǔ)焊區(qū)預(yù)置約200μm的涂層，使激光可能達(dá)到的作用區(qū)被完全保護(hù)起來。

4.3 激光幅照

采用釹：釔鋁石榴石固體脈沖激光加工機(jī)在氬氣全方位保護(hù)下進(jìn)行激光顯微焊。填焊時(shí)為防止焊料堵塞氣孔，補(bǔ)焊區(qū)要留有足夠的打磨余量。

4.4 焊后打磨

激光幅照完成后，用機(jī)械方法對(duì)補(bǔ)焊區(qū)進(jìn)行隨型打磨。

4.5 超聲沖擊及熒光檢查

用超聲沖擊去除激光補(bǔ)焊區(qū)應(yīng)力，然后進(jìn)行熒光檢查。

4.6 焊后熱處理

對(duì)葉片進(jìn)行焊后恢復(fù)性能熱處理，工作500h的葉片熱處理制度為：1100℃真空處理2h；工作1000h的葉片熱處理制度為：1230℃真空處理10h。

5 補(bǔ)焊后的金相組織檢查

對(duì)補(bǔ)焊后葉片葉尖的金相檢查結(jié)果表明，補(bǔ)焊區(qū)與基體材料為冶金結(jié)合，界面無裂紋、無缺陷，補(bǔ)焊區(qū)組織為細(xì)小的胞枝晶組織，如圖10所示。

圖10 鎳基高溫合金補(bǔ)焊組織

6 熱沖擊試驗(yàn)考核

為考核采用激光熔焊修復(fù)葉尖裂紋葉片的抗冷熱沖擊能力，對(duì)焊修后的葉片進(jìn)行了等效1000次冷、熱疲勞循環(huán)的熱沖擊試驗(yàn)，循環(huán)載荷曲線如圖11所示。從試驗(yàn)結(jié)果可知，高壓渦輪工作葉片在很小的循環(huán)次數(shù)下就已經(jīng)出現(xiàn)初始裂紋，但裂紋擴(kuò)展速度相對(duì)比較緩慢，到1000次循環(huán)，葉尖裂紋長度沒有超過1.8mm。從裂紋形貌上看，屬于熱疲勞裂紋。裂紋的數(shù)量和長度，都是符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和使用維護(hù)規(guī)程的規(guī)定。熱沖擊試驗(yàn)后熒光檢查葉尖補(bǔ)焊區(qū)未發(fā)現(xiàn)裂紋，對(duì)經(jīng)過熱沖擊處理的葉片進(jìn)行了解剖，制成金相試樣后檢查，葉盆補(bǔ)焊區(qū)沒有裂紋。用掃描電鏡對(duì)葉背的激光補(bǔ)焊區(qū)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)：補(bǔ)焊區(qū)兩側(cè)邊緣處各有長約為0.6mm的小裂紋存在，補(bǔ)焊區(qū)為正常的熱處理組織，沒有龜裂，補(bǔ)焊區(qū)與基體界面結(jié)合良好。

圖11 循環(huán)載荷曲線

對(duì)經(jīng)過熱沖擊的葉片進(jìn)行解剖，制成金相試樣后通過草酸電解使葉盆和葉背的激光補(bǔ)焊區(qū)完全顯現(xiàn)，葉盆補(bǔ)焊區(qū)未發(fā)現(xiàn)裂紋。用掃描電鏡對(duì)葉背的激光補(bǔ)焊區(qū)檢查，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)焊區(qū)兩側(cè)邊緣耳處各有長約0.6mm的小裂紋存在，如圖12所示，補(bǔ)焊區(qū)為正常的熱處理組織，沒有龜裂，補(bǔ)焊區(qū)與基體界面結(jié)合良好。

圖12 葉背補(bǔ)焊區(qū)宏觀形貌

7 整機(jī)試車考核

從修復(fù)的15片葉片中隨機(jī)抽取5片，參加了4h33min的整機(jī)試車。試車后對(duì)5片葉片進(jìn)行熒光檢查，在激光焊修區(qū)未發(fā)現(xiàn)裂紋。

再從5片葉片中隨機(jī)抽取2片，參加了368h46min的整機(jī)試車。試車后檢查發(fā)現(xiàn)2片葉片的葉盆和葉背出現(xiàn)了不同程度的裂紋，但裂紋的數(shù)量和長度均符合技術(shù)要求的規(guī)定。為了解試車后葉片材料組織變化情況，對(duì)1片葉片葉背的裂紋補(bǔ)焊區(qū)進(jìn)行金相檢查，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)焊區(qū)有少量的鉻、錳、鎢的粒狀相析出，補(bǔ)焊區(qū)和基體之間存在明顯的擴(kuò)散層，這是補(bǔ)焊材料和基體材料長期相互作用相互擴(kuò)散的結(jié)果[14]，但界面仍為牢固的冶金結(jié)合。

目前已采用該方法修復(fù)了71片高壓渦輪工作葉片，并在發(fā)動(dòng)機(jī)上累計(jì)工作了約2300h，未發(fā)現(xiàn)問題。

8 結(jié)論

對(duì)于高壓渦輪工作葉片產(chǎn)生的葉尖裂紋，選用高鎢、錳含量的鎳基超合金作為補(bǔ)焊材料和采用固體激光脈沖焊工藝方法進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后的高壓渦輪葉片經(jīng)去除應(yīng)力、熱處理后，再通過熱沖擊試驗(yàn)、整機(jī)試車考核和裝機(jī)使用等試驗(yàn)可得出以下結(jié)論：

（1）高壓渦輪工作葉片葉尖裂紋的形成與發(fā)展是環(huán)境和熱應(yīng)力復(fù)合作用的結(jié)果，材料表面的組織衰變層和腐蝕坑是潛在的裂紋源。

（2）先采用著色方法顯示裂紋所處位置，再采用顯微打磨復(fù)合工藝方法可徹底清除原位裂紋，對(duì)葉片基體無損傷。

（3）采用與基體材料熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)逆嚮邷睾辖鹱鳛檠a(bǔ)焊材料和采用固體激光脈沖焊工藝方法可以實(shí)現(xiàn)3維立體不規(guī)則空間的顯微焊補(bǔ)，形成與基體相容、與空間界面冶金結(jié)合的優(yōu)質(zhì)補(bǔ)焊區(qū)。

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