K465 低壓渦輪葉片葉冠失效分析

李繼宏，全瓊?cè)?，張?guó)軍，謝 善，韓載虎，陳秋敏

（1.中國(guó)航發(fā)航空科技股份有限公司計(jì)量理化中心，四川成都 610503；2.中航邁特粉冶科技（北京）有限公司，北京 100176）

K465 合金是一種Ni-W-Co-Cr 系固溶強(qiáng)化型鎳基高溫合金，在發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片、渦輪等具有較高耐溫要求又有良好機(jī)械性能要求的零件制造方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值和前景[1]。渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，很多發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢，都與渦輪葉片失效有關(guān)[2]。

目前，對(duì)航空低壓渦輪葉片磨損的失效分析主要集中在以下幾個(gè)方面：湯鳳的“帶冠渦輪葉片的接觸分析”采用計(jì)算機(jī)模擬方式來(lái)解決對(duì)葉冠接觸力的影響[4]；皮駿的“燃?xì)廨啓C(jī)高壓渦輪葉片粒子磨損數(shù)值模擬”研究了磨損形式及機(jī)理[5]；郎達(dá)學(xué)的“帶葉冠的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片失效分析”從設(shè)計(jì)（初始緊度）角度[3]，通過(guò)應(yīng)力試驗(yàn)及失效模擬試驗(yàn)研究了帶冠渦輪葉片在裝配和工作狀態(tài)下的接觸情況。以上研究均從單一角度分析，并沒(méi)有從設(shè)計(jì)、工藝、裝配等多方面進(jìn)行系統(tǒng)、全面的綜合分析。

本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片葉冠為例，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行宏微觀觀察、能譜分析，得出失效機(jī)理；同時(shí)根據(jù)理化實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)零件裝配工藝、試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行復(fù)查，開(kāi)展K465 材料高溫力學(xué)性能試驗(yàn)，為避免類似故障重復(fù)發(fā)生提供重要的技術(shù)依據(jù)。

1 理化分析

圖1 為低壓渦輪葉片葉冠接觸面損傷外觀及缺陷磨損位置，從圖中可以觀察：該葉片在葉冠處有兩處磨損，沿葉身對(duì)稱分布，配對(duì)葉片葉背、葉盆配合面磨損凹凸形態(tài)基本可以嚙合，異常磨損區(qū)域主要位于接觸面靠近葉冠接觸面凸圓位置，其中A 尺寸（如圖1a）接觸面磨損區(qū)域面積占比約為40%～80%（如圖1b～d）。

在體式鏡下觀察：靠近葉背和葉盆側(cè)葉冠缺陷表面形貌類似，缺陷區(qū)域側(cè)面封嚴(yán)齒不完整，呈波浪狀（如圖2a）。葉背側(cè)和葉盆側(cè)葉冠缺陷表面，均存在不同程度的磨損，在體式鏡下呈黑色和亮白色，靠近葉背和葉盆側(cè)葉冠缺陷表面形態(tài)光滑，整個(gè)缺陷區(qū)域約在直徑5mm 范圍內(nèi)（如圖2b、c）。

圖3 為掃描電鏡下磨損區(qū)域表面形貌觀察。較原始表面形貌相比（如圖3a），葉背、葉盆側(cè)缺陷表面形貌均存在不同程度的磨損，缺陷區(qū)域有大量擠壓變形的淺坑，缺陷附近表面有刮削磨損痕跡，且呈一定方向性（如圖3b、c）；放大后觀察葉背、葉盆側(cè)微觀形貌均可見(jiàn)表面有碾壓、氧化顆粒、磨粒脫落等粘著磨損花樣（如圖3d）。

圖1 低壓渦輪葉片葉冠接觸面損傷外觀及缺陷磨損位置

圖2 缺陷位置及表面形貌

采用掃描電鏡所帶能譜儀對(duì)葉冠缺陷表面和正常區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表1 所示?？梢钥闯觯狠^基體區(qū)域，缺陷表面區(qū)域含有較多的O 元素，未見(jiàn)其他外來(lái)元素。

圖4 為葉冠葉背、葉盆側(cè)缺陷截面高倍組織形貌。從圖中可以觀察到缺陷位置較正常區(qū)域，有一層灰色覆蓋物，在基體和覆蓋物之間均有一層較薄不連續(xù)的白亮層，2μm 左右（如圖4a、b）；缺陷表面覆蓋物與白亮層之間存在明顯界限，表面覆蓋物局部被破碎，白亮層附近高倍的γ，發(fā)生扭曲變形被拉長(zhǎng)（如圖4c），產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形。葉身正常區(qū)域原始表面高倍γ，組織正常，大部分呈立方形態(tài)（如圖4d）。

表1 缺陷區(qū)域與基體元素含量能譜分析 ωB/%

圖3 葉冠正常表面位置與葉片葉盆、葉背側(cè)缺陷表面形貌

圖4 缺陷區(qū)域和正常區(qū)域截面高倍組織形貌

表2 為對(duì)葉背側(cè)缺陷位置及正常區(qū)域高倍組織進(jìn)行的能譜分析結(jié)果?；疑采w物以及基體和覆蓋物之間的白亮層與基體元素相比，白亮層Ni、C、Co 元素含量降低，且存在一定含量的O 元素，結(jié)合其高倍形貌認(rèn)為白亮層為合金貧化層；灰黑色覆蓋物主要含有Ni、W、Co、Cr、O 元素，少量的C、Al、Ti 等元素，這與缺陷表面區(qū)域能譜分析結(jié)果基本一致，同時(shí)與基體元素相比，Cr、Co、W、Mo 元素含量減少，含有大量O 元素，分析認(rèn)為灰色覆蓋物為氧化層。

表2 灰色覆蓋物、白亮層與基體元素含量 ωB/%

2 設(shè)計(jì)及工藝復(fù)查

葉冠A 尺寸、葉片尺寸及扭角均與圖紙一致，尺寸計(jì)算配合過(guò)盈量、葉冠裝配接觸面積均滿足設(shè)計(jì)要求；通過(guò)計(jì)算1～6 階振動(dòng)頻率，實(shí)際測(cè)量比對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)1～3 階振動(dòng)頻率，測(cè)量值與計(jì)算結(jié)果一致，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不存在與轉(zhuǎn)速相關(guān)的共振點(diǎn)。

葉片是通過(guò)葉身六點(diǎn)定位澆鑄方箱，將葉身鑄造基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到方箱表面作為機(jī)加基準(zhǔn)，再通過(guò)翻轉(zhuǎn)方箱實(shí)現(xiàn)尺寸磨削加工；檢測(cè)時(shí)同樣以方箱表面為基準(zhǔn)進(jìn)行尺寸測(cè)量或依靠工裝設(shè)備尺寸來(lái)進(jìn)行驗(yàn)收。加工工藝存在基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化，最終裝配基準(zhǔn)和檢測(cè)基準(zhǔn)存在不完全一致情況，且機(jī)加完成后對(duì)葉片進(jìn)行真空消應(yīng)力處理，最終成品入庫(kù)前對(duì)葉冠尺寸進(jìn)行最終檢測(cè)。

復(fù)查裝配工藝過(guò)程，采用弓形夾預(yù)扭葉片，有利于裝配，裝配完成后，測(cè)量葉輪狀態(tài)排氣邊間隙，符合設(shè)計(jì)要求。復(fù)查發(fā)現(xiàn)的新機(jī)葉輪裝配狀態(tài)存在葉冠間隙不均勻、端面不平整有臺(tái)階的情況，分析認(rèn)為這些現(xiàn)象均與葉冠尺寸加工一致性差有關(guān)[6]，并且該現(xiàn)象在試車過(guò)程中因?yàn)槿~冠振動(dòng)產(chǎn)生相互摩擦位移而自適應(yīng)協(xié)調(diào)，使葉冠接觸狀態(tài)趨于均勻一致，因此，葉冠磨損現(xiàn)象與裝配工藝無(wú)關(guān)。

帶冠葉片在裝配時(shí)，通過(guò)對(duì)葉片進(jìn)行預(yù)扭，使整圈葉片在靜止時(shí)葉冠工作面保持壓緊，由此產(chǎn)生葉冠間的初始緊度。但裝配前未進(jìn)行葉冠尺寸選配、確保初始緊度[7]，導(dǎo)致葉片長(zhǎng)期工作過(guò)程中葉冠接觸面微動(dòng)磨損，部分葉片磨損量較大，產(chǎn)生間隙，促進(jìn)葉輪整體松動(dòng)。

3 試驗(yàn)過(guò)程排查

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)過(guò)程排查，某型發(fā)動(dòng)機(jī)葉片實(shí)際起飛狀態(tài)、額定狀態(tài)時(shí)間已超過(guò)2000h 壽命的使用載荷，起飛狀態(tài)的排氣溫度占總工作時(shí)間的69%，對(duì)應(yīng)的低壓渦輪葉片進(jìn)口溫度約890℃，同時(shí)由于地面試車溫度較空中實(shí)際使用溫度高80～90℃。對(duì)于高溫合金來(lái)說(shuō)，高溫下原子擴(kuò)散能力的增大，材料中空位數(shù)量的增多以及晶界滑移系的改變或增加，使得材料的高溫強(qiáng)度與室溫強(qiáng)度有很大的不同[8]。

圖5 為K465 材料溫度-抗拉強(qiáng)度曲線。采用型號(hào)為WDW-100 的高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)，選取三組K465 材料，按技術(shù)條件GB/T228.2 分別在20℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1050℃、1100℃不同溫度下進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，從材料溫度-抗拉強(qiáng)度曲線可以看出：三組試驗(yàn)中該材料在初始階段800℃以內(nèi)時(shí)強(qiáng)度極限隨溫度的升高穩(wěn)定在σb=1020MPa，超過(guò)該溫度后，強(qiáng)度性能開(kāi)始急劇下降，這與大部分高溫合金強(qiáng)度極限隨溫度的變化基本一致[8]。

4 討論

根據(jù)材料磨損產(chǎn)生的原因和過(guò)程，主要可分為粘著磨損、微動(dòng)磨損、疲勞磨損等[9]。其中粘著磨損的典型特征是材料發(fā)生轉(zhuǎn)移，表面層在摩擦力作用下發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生第一類膠合；當(dāng)材料表面相對(duì)滑動(dòng)速度高，摩擦熱導(dǎo)致表層溫度高，表面發(fā)生相變引起出現(xiàn)白亮層，產(chǎn)生第二類膠合。這與理化檢測(cè)葉冠缺陷位置產(chǎn)生較嚴(yán)重的塑形，表面存在覆蓋物和白亮層典型特征一致。結(jié)合缺陷表面存在淺坑、碾壓、氧化、磨粒脫落等粘著磨損花樣，缺陷附近表面有刮削磨損痕跡，且呈一定方向性形貌（圖3、4），分析認(rèn)為缺陷磨損性質(zhì)為粘著磨損。

圖5 K465 材料溫度-抗拉強(qiáng)度關(guān)系圖

影響葉冠產(chǎn)生粘著磨損的因素主要有以下三個(gè)，首先葉冠封嚴(yán)齒長(zhǎng)期工作過(guò)程中接觸面為干磨，葉冠與葉冠屬于相同材料K465，其晶格類型、間距、電化學(xué)性質(zhì)相同，金屬互溶性大，容易發(fā)生粘著[9]。再者裝配前未恰當(dāng)選擇葉冠初始緊度，裝配緊度大，接觸面解壓應(yīng)力高；裝配緊度太小，接觸面出現(xiàn)間隙，會(huì)加大葉片震動(dòng)應(yīng)力[10]，本文中葉冠裝配緊度小，使得葉冠在外界小振幅震動(dòng)作用下，粘著點(diǎn)剪切，粘著物脫落，剪切表面易被氧化[11]。最后在試驗(yàn)過(guò)程排查中發(fā)現(xiàn)葉片實(shí)際工作溫度在950～970℃，K465 材料耐磨損性能急劇下降，促使某型發(fā)動(dòng)機(jī)葉冠接觸面磨損速率和程度更為嚴(yán)重。

5 結(jié)論

（1）某型發(fā)動(dòng)機(jī)葉冠磨損是葉片間接觸面干磨形成的粘著磨損。

（2）前期葉片終檢未保證葉輪狀態(tài)具有較好的初始緊度，導(dǎo)致葉片使用過(guò)程中受到震動(dòng)。

（3）某型發(fā)動(dòng)機(jī)葉片起飛狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間工作溫度高，材料強(qiáng)度急劇下降，在震動(dòng)沖擊下對(duì)接觸面磨損起到促進(jìn)作用。