某發(fā)動機(jī)動力渦輪導(dǎo)向器裂紋原因分析

黃艷松， 王其榮， 何訓(xùn)

（1.海軍駐株洲某軍代室，湖南 株洲412002；2.中航工業(yè)南方公司，湖南 株洲412002）

0 引言

K536合金是一種含鐵、鉻較高的固溶強(qiáng)化型鎳基高溫合金，具有較好的抗氧化性能，其成型性和高溫持久性能也較好，在790℃以上還具有一定的高溫強(qiáng)度，是制造航空發(fā)動機(jī)燃燒室部件比較合適的材料，工作溫度可達(dá)980℃，短時(shí)間工作溫度可達(dá)1090℃，合金具有較好的鑄造性能，適于精密鑄造［1］。某型發(fā)動機(jī)動力渦輪導(dǎo)向器由外環(huán)、內(nèi)環(huán)和導(dǎo)向葉片組成，采用K536合金整體精密鑄造成型，在使用過程中葉片出現(xiàn)裂紋和掉塊現(xiàn)象。本文分別對裂紋件和樣機(jī)件進(jìn)行冶金分析，確定了裂紋及掉塊的原因，提出了改進(jìn)措施，經(jīng)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了措施的有效性。

1 檢查過程

1.1 外觀檢查

裂紋件外觀如圖1所示，經(jīng)熒光和雙目放大鏡檢查發(fā)現(xiàn)在A部位存在裂紋、B部位存在掉塊現(xiàn)象。裂紋分布于葉片排氣邊中部及排氣邊的靠內(nèi)環(huán)R處，其中葉片排氣邊中部的裂紋長度較長，最長的裂紋尺寸約11 mm?？績?nèi)環(huán)R部位的裂紋與葉片排氣邊呈一定角度，向內(nèi)環(huán)延伸，見圖2。葉片排氣邊中部的裂紋大部分與葉片排氣邊垂直，個(gè)別與排氣邊呈一定角度。其中1片葉片排氣邊中部距外環(huán)約14 mm部位存在一處掉塊，尺寸約為2.5 mm×2 mm，掉塊底部可見裂紋，向進(jìn)氣邊方向延伸，方向基本與進(jìn)氣邊垂直，長度約為10 mm，見圖3。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該裂紋件總裂紋數(shù)為42條，主要分布在葉片排氣邊中部、靠內(nèi)環(huán)R處，分別為27條和5條。

圖1 零件外觀

圖2 A部位零件裂紋

圖3 B部位掉塊

1.2 低倍檢查

經(jīng)表面低倍腐蝕檢查：裂紋件排氣邊一側(cè)除中部約3 mm寬范圍內(nèi)存在一些1～3 mm的等軸晶外，其余表面均為柱狀晶,最大柱狀晶尺寸為23 mm×1.5 mm；進(jìn)氣邊一側(cè)基本為6～10 mm的等軸晶，有個(gè)別尺寸為20 mm的粗大晶粒，見圖4。裂紋大部分呈沿晶開裂特征，少部分呈沿晶+穿晶形貌。樣機(jī)件排氣邊中部20 mm×10 mm區(qū)域晶粒為小于0.5mm的等軸晶，其余部位為1～4 mm及個(gè)別5 mm的等軸晶，見圖5。通過對比發(fā)現(xiàn)裂紋件晶粒尺寸明顯比樣機(jī)件大，且葉片排氣邊中部存在柱狀晶粒。

圖4 裂紋件表面低倍晶粒

圖5 樣機(jī)件表面低倍晶粒

1.3 金相檢查

分別對裂紋件和樣機(jī)件的同一部位進(jìn)行金相剖切檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋件的二次枝晶臂距尺寸與樣機(jī)件相比明顯較大。裂紋件的二次枝晶臂距尺寸范圍為75～94μm，如圖6所示；樣機(jī)件的二次枝晶臂距尺寸范圍為37～63μm，如圖7所示。

圖6 裂紋件枝晶形貌

圖7 樣機(jī)件枝晶形貌

切取葉片排氣邊中部的裂紋，平行于葉背面磨制試樣后觀察，裂紋明顯呈沿晶開裂特征，見圖8。裂紋件與樣機(jī)件顯微組織均為奧氏體+碳化物，碳化物形態(tài)為顆粒狀及短棒狀的M6C、M23C6，但與樣機(jī)件相比，裂紋件顯微組織中碳化物數(shù)量明顯偏少，且裂紋件表面存在厚度30～40μm的細(xì)晶層，裂紋件顯微組織見圖9，樣機(jī)件顯微組織見圖10。

圖8 裂紋沿晶特征

圖9 裂紋件顯微組織

圖10 樣機(jī)件顯微組織

1.4 斷口檢查

將裂紋件葉片排氣邊中部裂紋及掉塊部位人工打開后觀察，斷面高低起伏較大，呈沿晶開裂和黑色氧化特征，裂紋源點(diǎn)位于靠葉盆的排氣邊如圖11所示，起始后向葉背及進(jìn)氣邊方向擴(kuò)展，在局部位置可見疲勞弧線和條帶特征，為熱疲勞開裂，源區(qū)未見冶金缺陷，如圖12、圖13。

圖11 疲勞源區(qū)

圖12 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)

圖13 疲勞條帶

1.5 其他檢查

分別在樣機(jī)件和裂紋件的葉片中部切取試樣進(jìn)行硬度檢查，裂紋件的硬度值為131 HB、樣機(jī)件的硬度值為171 HB，表明裂紋件硬度小于樣機(jī)件硬度。在樣機(jī)件及裂紋件上取樣后經(jīng)化學(xué)定量分析，發(fā)現(xiàn)樣機(jī)件和裂紋件的成分檢測結(jié)果均符合該產(chǎn)品冶金文件規(guī)定，其中C元素標(biāo)準(zhǔn)值≤0.10%，裂紋件和樣機(jī)件的C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.005%、0.076%，相差較大，其余元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別很小。

2 討論分析

該動力渦輪導(dǎo)向器為整體鑄造結(jié)構(gòu)成型，由于零件壁厚、結(jié)構(gòu)及鑄造工藝的影響，造成零件鑄造冷卻過程中葉片排氣邊一側(cè)出現(xiàn)較大的過冷度，結(jié)晶時(shí)固液界面只能在空間的一個(gè)方向自由移動，其他兩個(gè)方向受到限制，導(dǎo)致零件葉片排氣邊中部容易出現(xiàn)較多垂直于排氣邊的粗大柱狀晶。在柱狀晶的生長方向上，綜合力學(xué)性能相對較差。而發(fā)動機(jī)工作過程中，導(dǎo)向器所受的主應(yīng)力方向恰好與零件柱狀晶生長方向一致，弱化了葉片的徑向強(qiáng)度，降低了材料的抗疲勞性能。

導(dǎo)向葉片除受有較大的氣動力與不穩(wěn)定的脈動載荷外，還處于高溫燃?xì)獾陌鼑?，溫度高，冷熱變化大，溫度不均勻情況很嚴(yán)重，起動-停車引起的熱沖擊和熱疲勞現(xiàn)象往往成為導(dǎo)向葉片的主要故障之一［2］。由于葉片前后較薄，熱慣性較小，因而受熱速度快，在導(dǎo)向葉片內(nèi)產(chǎn)生很大的溫度梯度，使前后緣產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，反復(fù)作用就會出現(xiàn)熱疲勞（低周疲勞）裂紋［2］。該導(dǎo)向器裂紋斷口斷面高低起伏大，存在疲勞弧線和條帶特征，因此裂紋性質(zhì)為熱疲勞裂紋。由于葉片排氣邊組織存在柱狀晶，降低了抗疲勞性能，在冷熱循環(huán)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)約束應(yīng)力的共同作用下，導(dǎo)致該導(dǎo)向器在葉片排氣邊熱疲勞裂紋萌生，并沿晶界擴(kuò)展。

K536合金為鉻和鉬固溶強(qiáng)化的一種含鐵量較高的鎳基高溫合金，固溶狀態(tài)的組織為奧氏體基體+M6C型碳化物及少量的Ti（CN）、TiN組成；經(jīng)時(shí)效處理后，主要析出相為M6C、M23C6型碳化物及微量的σ相，經(jīng)1000h以上時(shí)效后析出μ相（（Ni、Cr、Fe）7（W、Mo、Si）6）［3］。碳含量對合金中的碳化物數(shù)量及合金的強(qiáng)度均會有一定的影響。結(jié)合冶金分析結(jié)果可知，裂紋件化學(xué)成分中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.005%，且顯微組織中碳化物數(shù)量較樣機(jī)件明顯偏少、硬度相對偏低，必然導(dǎo)致其強(qiáng)度會有所降低，促進(jìn)裂紋的萌生和擴(kuò)展。由于葉片排氣邊中部存在一些1～3mm的等軸晶，當(dāng)裂紋沿晶擴(kuò)展到一定程度并產(chǎn)生交叉時(shí)，就會導(dǎo)致葉片局部掉塊。

3 改進(jìn)驗(yàn)證

根據(jù)上述分析，增加了K536合金C質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下限值控制要求，將C質(zhì)量分?jǐn)?shù)調(diào)整到樣機(jī)件水平，并對該產(chǎn)品的精密鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，改善了產(chǎn)品排氣邊柱狀晶的情況。改進(jìn)鑄造工藝后，分別抽取兩個(gè)改進(jìn)件進(jìn)行500次、1000次熱沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)后經(jīng)熒光檢查均未發(fā)現(xiàn)裂紋及掉塊的現(xiàn)象。目前，該產(chǎn)品改進(jìn)件已通過發(fā)動機(jī)試車考核，狀態(tài)良好。

4 結(jié)語

該動力渦輪導(dǎo)向器裂紋主要出現(xiàn)在葉片排氣邊，裂紋源點(diǎn)靠近葉盆部位，沿晶界開裂，向葉身橫向發(fā)展，性質(zhì)屬于熱疲勞開裂。裂紋的主要原因是產(chǎn)品內(nèi)部組織存在柱狀晶粒，導(dǎo)致材料的抗疲勞性能降低，在冷熱循環(huán)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)約束應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生裂紋。掉塊是裂紋沿晶擴(kuò)展出現(xiàn)交叉所致。通過優(yōu)化產(chǎn)品毛坯鑄造工藝，改善組織柱狀晶情況、提高材料C含量等措施，能夠防止產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋。

［1］ 中國金屬學(xué)會高溫材料分會.中國高溫合金手冊［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012：160-181.

［2］ 劉長福，鄧明.航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［3］ 鋼鐵研究總院.GH536合金管材、板材、棒材技術(shù)報(bào)告［R］.2005.