K424高溫合金渦輪葉輪表面線性熒光顯示分析

肖文近，何 訓(xùn)，王其榮

(中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002)

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K424高溫合金渦輪葉輪表面線性熒光顯示分析

肖文近，何 訓(xùn)，王其榮

(中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002)

K424材料的渦輪葉輪經(jīng)熒光檢測，在輪盤中心孔及幅板面位置存在線性熒光顯示，通過外觀檢查、斷口分析、掃描電鏡觀察和金相分析，研究輪盤中心孔及幅板面熒光顯示部位缺陷的性質(zhì)及其產(chǎn)生的原因，結(jié)果表明：線性熒光顯示缺陷為沿碳化物開裂的微裂紋，經(jīng)抽取同批次零件進行進一步分析，確定微裂紋為加工過程中產(chǎn)生，與加工進刀量及原材料中的碳化物形態(tài)和分布等因素有關(guān)。

K424合金；線性熒光顯示；微裂紋；碳化物；顯微疏松

0 引言

航空發(fā)動機是一種受嚴酷氣動負荷、機械負荷和高溫負荷作用，又要求具有高耐久性的熱動力機械[1]。K424鎳基鑄造高溫合金廣泛應(yīng)用于小型發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子、整鑄導(dǎo)向器、渦輪葉輪等部件[2]，鑄造高溫合金材料的特點是高硬度、高強度、低導(dǎo)熱性、低塑性和高脆性[3]。發(fā)動機渦輪葉輪為了達到性能要求，采用精密鑄造工藝生產(chǎn)的高溫合金K424。此合金的機械加工特性符合金屬切削加工的一般原理和規(guī)律，同時也有自己的顯著特點，即切削力大、切削溫度高、加工硬化嚴重、化學(xué)親合力強，容易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象、高硬質(zhì)點(碳化物)的摩擦作用、切削難于處理，在機械加工時產(chǎn)生大量的切削熱，使零件精加工時在硬質(zhì)點(碳化物)處理開裂。但此材料通常采用成型機加技術(shù)進行精密加工，來達到產(chǎn)品的精度和表面光潔度[4]。鑄造高溫合金由于合金凝固冷卻條件不同，MC碳化物的形態(tài)、大小和分布有很大的差異，當(dāng)碳化物粗大且呈草書體狀，易在草書體狀碳化物處造成應(yīng)力集中而開裂[5]。國內(nèi)外對于Inconel718、Inconel901、GH536等合金的切削加工性有較多的研究[6-9]，但對K424合金的加工性研究較少，當(dāng)K424合金在進行機械加工時，只要機加工不當(dāng)及碳化物的形態(tài)和分布不均勻，就容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，導(dǎo)致零件報廢。

渦輪葉輪裝配到發(fā)動機上使用6 h 2 min后分解檢查發(fā)現(xiàn)，其輪盤中心孔及幅板面存在線性熒光顯示，零件外觀見圖1，為分析線性熒光顯示形成原因，對其進行分析，并確定裂紋的形成機理。

該零件加工工藝路線：毛坯→機加→動平衡→機加→磨工→機加→靜平衡→機加→檢驗→熒光檢測→鉗工→動平衡→超轉(zhuǎn)實驗→機加→磨工→鉗工→熒光檢測→檢驗。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

該零件在熒光檢測時發(fā)現(xiàn)，輪盤中心孔及幅板面上存在多處裂紋，具體位置及形狀見圖2。

零件中心孔及其附近的幅板表面呈灰黑色，可見明顯的打磨痕跡(熒光顯示區(qū)域內(nèi))，其余部位呈光亮的金屬色，可見周向加工痕跡，較粗糙，零件熒光顯示部位經(jīng)放大鏡觀察，未見冶金類缺陷，在掃描電鏡下觀察，熒光顯示缺陷為多條沿徑向分布的長為0.1～0.3 mm的裂紋，與加工方向垂直，呈不規(guī)則的彎折狀(圖3)。經(jīng)復(fù)查，該批次中未使用的零件同樣存在多條沿徑向分布的長為0.1～0.3 mm的多條裂紋。

圖1 零件外觀

圖2 零件顯示位置及形狀

圖3 熒光顯示部位裂紋形貌

1.2 斷口分析

將裂紋拉開后采用德國LEO1430VP型掃描電鏡進行觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋斷口表面呈淡黃色，深度約為30 μm，斷口微觀形貌呈過載斷裂特征，即為準解理+韌窩特征，斷口形貌見圖4。

1.3 金相檢查

在熒光顯示部位及無熒光顯示部位取樣、制樣觀察，線性熒光顯示缺陷均為微裂紋，裂紋開口較細，約為1 μm，裂紋深度為10～40 μm，裂紋內(nèi)未見氧化夾雜及其他冶金缺陷(圖5)?；w中有較多呈針狀、點狀的碳化物及少量塊狀碳化物，碳化物呈草書狀(圖6)。

經(jīng)腐蝕后觀察，裂紋為沿碳化物開裂，裂紋兩側(cè)顯微組織與無裂紋部位顯微組織無明顯差異，均為正常組織，無過熱過燒現(xiàn)象(圖7)。

同批次未使用的零件經(jīng)剖切后觀察，裂紋形貌及顯微組織特征與故障件一致。

通過輪心取樣、腐蝕觀察，輪盤中心孔及其附近幅板部位晶粒尺寸為(0.5～2)mm×(5～15)mm，輪緣晶粒尺寸為0.5～2 mm，葉身表面晶粒尺寸小于0.5 mm。

1.4 成分分析

化學(xué)成分經(jīng)化學(xué)滴定定量分析，其結(jié)果符合YJ0255技術(shù)條件要求。

2 分析與討論

K424合金的主要組成相是γ固溶體、γ′相、γ+γ′共晶、MC碳化物。Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn及Fe等元素，在合金中均可與C作用形成碳化物，其中Ti、Zr、Nb、V是強碳化物元素，Mo、W、Cr是中碳化物元素[1]，K424合金中含有大量的Ti、Zr、Nb、Mo、W、Cr等強碳化物元素，較易形成碳化物。在鎳基合金中，碳化物易于在晶界或枝晶間析出[10-11]。

圖4 裂紋斷口宏觀形貌

圖5 裂紋形貌

圖6 碳化物形貌

圖7 裂紋兩側(cè)顯微組織

在零件的基體中有較多針狀+點狀+少量塊狀碳化物，碳化物呈草書狀，K424合金在不同的鑄造工藝條件下，由于合金凝固冷卻條件不同，MC碳化物的形態(tài)、大小和分布有很大的差異，當(dāng)澆注溫度或模殼溫度較高時，由于合金的凝固速率慢，碳化物適于生長，尺寸粗大且呈草書體狀，枝晶間的分布不均勻，碳化物主要分布于枝晶間，以群團形式出現(xiàn)，晶干上分布較少。隨著澆注溫度或模殼溫度的降低，碳化物由粗大草書狀逐漸向細小的粒狀、塊狀轉(zhuǎn)變，分布更加均勻、彌散[5]。由此可判斷該零件的澆注工藝不是最理想的狀態(tài)。碳化物硬而脆，當(dāng)MC碳化物為粗大的草書體狀時，易在草書體狀碳化物處造成應(yīng)力集中，裂紋易在其附近產(chǎn)生和擴展。

目視觀察零件機加表面較粗糙，對機加表面熒光顯示部位剖切金相檢查，發(fā)現(xiàn)存在多條沿徑向分布的長為0.1～0.3 mm裂紋，裂紋擴展方向與加工方向垂直，呈不規(guī)則的彎折狀，其深度均為10～40 μm，其形貌與磨削裂紋很相近，但該零件機加表面非磨削加工，為車削加工。在車加工時，粗加工的軸向進刀量為0.8 mm/r，徑向進刀量為0.5 mm/r，車床的轉(zhuǎn)速約為80 r/min，精加工的軸向進刀量為0.2 mm/r，徑向進刀量為0.2 mm/r，車床的轉(zhuǎn)速約為80 r/min。分析認為：該零件的切削深度和進給量較大，變形抗力和摩擦力增大，因而切削力也隨之增大，當(dāng)切削線速率大于50 m/min時，隨著切削速度的增加，切削力減小[12-13]。由此可判斷該零件在機械加工時表面會產(chǎn)生較大的機械應(yīng)力；且由于鎳基高溫合金在機械加工過程中會產(chǎn)生強烈的塑性變形，形成較大的機加應(yīng)力，同時其熱導(dǎo)率低，機加工產(chǎn)生的熱易集中在加工表面的薄層中，形成較高的機加溫度，在機加應(yīng)力及溫度的共同作用下，加上近表層草書狀的碳化物硬而脆，容易在其針狀碳化物邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，并沿著碳化物開裂。

3 改進措施

1)建議改進渦輪工作葉片的澆注工藝，改善零件中碳化物的分布及碳化物析出形態(tài)[5]。

2)優(yōu)化工藝，減少每道機械加工過程中的進給量，檢查加工過程中的冷卻情況、刀具磨損情況，及時改善冷卻及更換刀具等與加工不利的因素。

4 結(jié)論

1)渦輪葉輪線性熒光顯示缺陷為機加工過程中產(chǎn)生的微裂紋。

2)渦輪葉輪機加過程出現(xiàn)裂紋與加工進刀量及碳化物形態(tài)和分布有關(guān)。

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Analysis on Linear Fluorescent Display of Turbine Impeller in an Aero-Engine

XIAO Wen-Jin，HE Xun，WANG Qi-Rong

(AECCSouthIndustaryCo.,Ltd.,HunanZhuzhou412002,China)

The 2th stage turbine impeller made of K424 superalloy was found to have linear fluorescent display. In order to find out the failure mode and cause, appearance observation, fracture surface analysis and microstructure examination were performed. The results show that the linear fluorescent display was caused by microcracks along carbides. Another part of the same batch was used for further analysis. It is found that the microcracks formed during the machining process, and they were related to the amount of feed during the machining process as well as the shape and distribution of carbides.

K424 superalloy; linear fluorescent display; microcrack, carbide; microporosity

2016年5月10日

2016年7月19日

肖文近(1978年-)，男，工程師，主要從事金屬材料物理冶金和失效分析等方面的研究。

V235.1

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.006

1673-6214(2016)04-0227-05