GH4169高溫合金渦輪盤(pán)表面徑軸向裂紋的滲透檢測(cè)可行性

喬海燕，任學(xué)冬，史亦韋，陶春虎

(1. 北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

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GH4169高溫合金渦輪盤(pán)表面徑軸向裂紋的滲透檢測(cè)可行性

喬海燕1,2，任學(xué)冬1,2，史亦韋1,2，陶春虎1,2

(1. 北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

分別選用ZL-27A與ZL67滲透液對(duì)GH4169渦輪盤(pán)表面徑軸向裂紋進(jìn)行高靈敏度后乳化型與高靈敏度水洗型熒光滲透檢測(cè)，超聲波預(yù)清洗30 min后，滲透液浸漬與滴落60 min。利用體式鏡和掃描電鏡研究徑軸向裂紋的宏觀與微觀特征。研究結(jié)果表明:GH4169高溫合金渦輪盤(pán)在鍛造過(guò)程中造成的表面徑軸向裂紋，在高溫下被表面氧化形成Cr2O3為主的復(fù)雜氧化物層堵塞開(kāi)口，使得滲透檢測(cè)方法對(duì)其檢出并不十分有效。

GH4169；渦輪盤(pán)；高溫氧化；滲透檢測(cè)

渦輪盤(pán)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，工作溫度雖然比葉片低，但其應(yīng)力水平很高且應(yīng)力條件非常復(fù)雜，在輪心、輪緣、榫齒等各部位所受應(yīng)力、溫度、介質(zhì)作用程度均不同，對(duì)盤(pán)件各部位的材料性能要求非常嚴(yán)格[1]。高溫合金是以Fe，Ni或Co為基體，能在600 ℃以上的高溫環(huán)境下抗氧化或耐腐蝕，并能在一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類(lèi)金屬材料[2]。我國(guó)渦輪盤(pán)變形高溫合金的發(fā)展概論顯示[3]，GH4169是眾多渦輪盤(pán)用高溫合金中最典型的。按照分類(lèi)[4]，GH4169合金屬于Ni基變形高溫合金，以體心四方的γ″和γ′沉淀強(qiáng)化，在650 ℃以下具有強(qiáng)度高、抗氧化、抗輻照、熱加工性能和焊接性能好等優(yōu)異的綜合機(jī)械性能[5]。針對(duì)GH4169材料性能的測(cè)試研究工作，已經(jīng)開(kāi)展許多[3，6-8]，但在渦輪盤(pán)實(shí)際服役時(shí)，材料面臨溫度、應(yīng)力等更復(fù)雜的考驗(yàn)。由于合金化程度高，材料變形抗力大[9]，加工過(guò)程中出現(xiàn)的微小裂紋或服役中產(chǎn)生的疲勞裂紋會(huì)由于變形抗力或氧化而難以被檢出。渦輪盤(pán)表面的裂紋在盤(pán)件高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中極有可能引起斷裂。渦輪盤(pán)的斷裂失效大多會(huì)造成非包容性破壞，帶來(lái)災(zāi)難性的后果[10]。2003年，采用GH4169高溫合金制作的渦輪盤(pán)在試車(chē)臺(tái)運(yùn)行2個(gè)多小時(shí)后，就發(fā)生了由于鍛造裂紋未能檢出而造成渦輪盤(pán)的非包容性爆破。選擇最適合的檢測(cè)方法，及時(shí)檢出裂紋對(duì)于保障發(fā)動(dòng)機(jī)安全和可靠使用具有重要意義。滲透檢測(cè)是一種以毛細(xì)作用原理為基礎(chǔ)用于檢測(cè)非疏孔性金屬和非金屬試件表面開(kāi)口缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法[11]。滲透檢測(cè)對(duì)有一定深寬比的缺陷如開(kāi)口細(xì)而深的裂紋有很高的檢測(cè)靈敏度，不受缺陷方向、位置等局限，且缺陷顯示直觀容易判斷，廣泛應(yīng)用于航空制件的表面檢測(cè)。

本研究對(duì)GH4169高溫合金渦輪盤(pán)進(jìn)行了滲透檢測(cè)，并利用多種手段分析表面裂紋特征，探討了滲透檢測(cè)是否為發(fā)現(xiàn)該表面裂紋的最佳檢測(cè)方法，為制定渦輪盤(pán)生產(chǎn)研制與使用過(guò)程中的缺陷檢測(cè)及其檢測(cè)工藝的制定奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

選用后乳化型及水洗型熒光滲透方法對(duì)渦輪盤(pán)表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)；在體式顯微鏡下對(duì)缺陷位置和特征進(jìn)行了宏觀形貌分析；在掃描電子顯微鏡及X射線能譜儀下分別對(duì)缺陷特征進(jìn)行了微觀分析及成分分析。

1.2 滲透檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

試件為用GH4169高溫合金制作的渦輪盤(pán)，如圖1所示，渦輪盤(pán)內(nèi)輪緣表面分布數(shù)條目視可見(jiàn)的裂紋，沿軸向與徑向延伸，示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 渦輪盤(pán)局部Fig.1 Part of the turbine disk

圖2 裂紋分布示意圖Fig.2 Sketch map of crack distribution

渦輪盤(pán)經(jīng)鍛造變形加工而成，表面較光潔，組織致密，存在的缺陷一般緊密細(xì)小，滲透檢測(cè)時(shí)需選擇較高靈敏度的后乳化型熒光滲透液，且滲透時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)[10]。故滲透檢測(cè)實(shí)驗(yàn)選擇I類(lèi)D法，工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

干粉顯像結(jié)束后，在黑光燈下觀察，僅有一處輕微的熒光顯示，用蘸有丙酮的毛刷擦拭后不復(fù)現(xiàn)，施加非水濕顯像劑補(bǔ)充顯像后，出現(xiàn)四處線性熒光顯示，但亮度較低，見(jiàn)圖3。

圖3 補(bǔ)充顯像后的熒光顯示Fig.3 Fluorescent penetrant indications after additional nonaqueous developing

ProcessConditionsPre-rinseUltrasoniccleaningwithdetergentfor30minPenetrantapplicationImmersionDwellingImmersion+drainingfor60minPre-rinseWaterpre-rinsewaterpressure0.21MPa,distancebetweenspraygunnozzleandthepart>300mmEmulsifyingDwellingfor40sPostrinseWaterpre-rinsewaterpressure0.21MPa,distancebetweenspraygunnozzleandthepart>300mmDryingOver65℃for20minDevelopingDrydevelopers(+nonaqueousdevelopers)InspectionBlacklight

Note:penetrant is HY31.

另外，實(shí)驗(yàn)還與高靈敏度水洗法滲透檢測(cè)進(jìn)行了比較，檢測(cè)結(jié)果一致，目視可見(jiàn)的裂紋狀缺陷在熒光下幾乎不可見(jiàn)。

1.3 裂紋形貌觀察

在體式顯微鏡下對(duì)渦輪盤(pán)上標(biāo)記有輕微熒光顯示的部位進(jìn)行觀察，放大倍數(shù)分別為15和45，如圖4所示。圖中可見(jiàn)，線性、邊緣鋸齒狀、末端細(xì)小等裂紋特征較明顯，但滲透檢測(cè)無(wú)法檢出，綜合分析認(rèn)為，可能是由于某種原因造成了裂紋的閉合，無(wú)法留存滲透液。

2 結(jié)果與分析

2.1 裂紋微觀及成分分析

選擇試樣上顯示最為明顯的一處裂紋，線切割制作掃描電鏡試樣，經(jīng)金相腐蝕后在掃描電鏡下進(jìn)行觀察與分析，裂紋的走向較實(shí)體顯微鏡下更加清晰可見(jiàn)，圖5為不同放大倍數(shù)下裂紋顯示。從放大的形貌上看，微小的裂紋缺陷更象是不同于基體材料的“冶金缺陷”，與基體材料雖有顏色等明顯的差異，但與基體材料結(jié)合似乎非常好。

為確定缺陷與基體成分差異，選取缺陷處晶界、晶粒、缺陷與基體接壤過(guò)渡區(qū)等典型部位進(jìn)行微區(qū)能譜成分分析，微區(qū)分析點(diǎn)選取見(jiàn)圖5。將不同區(qū)域能譜分析的主要成分含量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2，結(jié)果顯示，晶界處Cr，Al，Nb元素含量顯著高于基體，并且O含量顯著，而在與基體接壤區(qū)及晶粒內(nèi)部區(qū)域，元素含量變化稍緩成一定梯度，與形貌有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

Micro-zonesOAlTiCrFeNiNbMoa(grainboundary)11.955.072.0552.544.4010.1713.81b(grain)4.181.4027.3014.7042.459.96c(edgeofgrainandbase)0.521.1218.3016.8350.449.013.78Standardcomponents(reference)0.4-0.7(0.5)0.75-1.15(1)16-1916-1950-554.75-5.5(5.1)2.8-3.3

圖6為沿缺陷橫向，即圖中黃色箭頭方向做成分含量線掃描分析，各成分含量變化曲線自上而下分別為Ni,Cr,Fe,Nb,Mo,Ti。由圖6可看出，成分含量變化最大的為元素Cr，Ni，在圖中大的晶界處及異常顆粒處，Cr含量急劇升高，Ni、Fe含量降低，Nb含量也有所升高；而在兩端與基體接壤的部位，Nb,Mo,Ti含量上升而其他元素含量下降。

圖6 沿缺陷橫向線掃描成分含量變化圖譜Fig.6 Atlas of composition content variation by cross line seanning along the defect

2.2 分析與討論

GH4169高溫合金是以Ni-Fe-Cr為基的高溫合金，相對(duì)于其他鎳基高溫合金而言，F(xiàn)e含量較高，因而加入的Cr，Al元素有利于提高合金的抗氧化性能。國(guó)內(nèi)外研究合金的氧化動(dòng)力學(xué)規(guī)律表明[12-14]，GH4169的氧化機(jī)制是由元素?cái)U(kuò)散決定的一系列復(fù)雜行為，Cr，Al元素與氧反應(yīng)形成穩(wěn)定的氧化物，阻止氧化的進(jìn)一步發(fā)展，但實(shí)際情況有所差異。在高溫下，GH4169高溫合金表面因與空氣接觸接觸而發(fā)生表面氧化，并且氧原子將會(huì)沿著晶界或相界向合金內(nèi)部擴(kuò)散而造成內(nèi)部氧化。由于晶界缺陷較多，氧的濃度高，同時(shí)又是碳化物集中處，Al含量較低不能形成足夠的AL2O3有效地阻止氧化，氧化便沿晶界或相界向合金內(nèi)部發(fā)展，形成島狀的內(nèi)氧化層。晶界氧化物的形成和發(fā)展使周?chē)w中的Cr向氧化物擴(kuò)散富集，造成成分的不均勻。

GH4169高溫合金渦輪盤(pán)件在高溫鍛造過(guò)程中，由于合金變形抗力大或其他各種原因造成裂紋，經(jīng)高溫氧化使裂紋表面及其亞表層形成Cr2O3為主的復(fù)雜氧化物層，填充在微小裂紋內(nèi)且與裂紋表面有很好的化學(xué)與物理結(jié)合，使之在滲透檢測(cè)中無(wú)法截留滲透液形成易于觀察的顯示，從而造成檢出的困難。2003年出現(xiàn)的渦輪盤(pán)爆破，對(duì)出現(xiàn)在表面甚至部分區(qū)域呈穿透性鍛造裂紋而未能檢出，與此有一定關(guān)系。對(duì)于此類(lèi)缺陷，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步深入研究采用超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)、目視檢測(cè)等多種方法的技術(shù)可行性和檢測(cè)可靠性，尋求最有效的方法，避免漏檢造成發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)的失效。

3 結(jié) 論

GH4169高溫合金渦輪盤(pán)表面沿軸徑向分布的細(xì)微鍛造裂紋，在高溫下由于表面氧化形成的Cr2O3為主的復(fù)雜氧化物層堵塞裂紋，使得與裂紋表面與基體材料有一定的密切結(jié)合，滲透檢測(cè)方法對(duì)這一類(lèi)裂紋的檢測(cè)并不十分有效，應(yīng)研究使用超聲、渦流或其他合適的方法，避免漏檢。

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(責(zé)任編輯：張 崢)

Feasibility of Penetrant Testing on Surface Axial-Radial Cracks of GH4169 Super Alloy Turbine Disk

QIAO Haiyan1，2，REN Xuedong1，2，SHI Yiwei1，2，TAO Chunhu1，2

(1. Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China；2.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China)

The post emulsifiable and water-washable fluorescent penetrant testing were carried out with ZL-27A and ZL67 respectively. Ultrasonic cleaning by detergent were used for 30 minutes before penetrant. The parts were immersed and drained for 60 minutes. The macroscopic and microscopic characteristics of cracks were researched using the split mirror and scanning electron microscope. The results show that the outgrowth of high temperature oxidation plugs up the forging cracks. Thus the penetrant testing is not effective in detecting this type of cracks.

GH4169 superalloy；turbine disk；high temperature oxidation；penetrant testing

2015-06-30；

2015-10-20

國(guó)防科工局技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(JSZL2014205B001)通訊作者：?jiǎn)毯Ｑ?1983—)，女，碩士，工程師，主要從事航空材料表面無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究,(E-mail)cindy220@sina.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.6.015

TG146.1+5；TG115.28

A

1005-5053(2016)06-0092-05