DD6單晶合金渦輪轉(zhuǎn)子葉片裂紋與內(nèi)腔等軸晶成因研究

胡 霖，高志坤

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽100015）

0 引言

高推質(zhì)比渦扇發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片普遍采用超冷卻結(jié)構(gòu)的單晶高溫合金[1-2]。DD6鎳基單晶高溫合金作為中國自行研制的第2代單晶高溫合金[3]，因具有優(yōu)異的高溫綜合性能[4]和鑄造工藝性能，已廣泛應(yīng)用于1100℃以下工作的具有復(fù)雜內(nèi)腔的燃?xì)鉁u輪工作葉片等高溫部件[5]。

中國在單晶高溫合金領(lǐng)域的研究起步較晚，應(yīng)用時(shí)間較短，國內(nèi)單晶葉片合格率一直較低，近幾年其合格率有所提高，但與國外高達(dá)70%～80%的單晶葉片合格率相比仍然存在較大差距。影響單晶葉片合格率的因素眾多[6-10]，如雜晶、小角晶界晶粒、取向偏離、再結(jié)晶等。科研人員[11]已基本掌握單晶葉片外表面缺陷的固有特性及檢測方法，相關(guān)問題也得到有效解決，但隨著渦輪工作葉片冷卻能力的不斷提高，葉片內(nèi)腔的復(fù)雜程度不斷加劇，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性或鑄造性缺陷[12]的可能性也隨之增加，而且一旦出現(xiàn)缺陷，幾乎很難被無損檢測發(fā)現(xiàn)，必將給后續(xù)使用帶來嚴(yán)重的安全隱患。關(guān)于葉片內(nèi)腔缺陷類型、形成機(jī)理及其對性能影響方面的研究相對較少，僅鄭真等[13]研究了型芯殘留導(dǎo)致氣流冷卻效果不良，致使局部超溫，造成葉片整體失效，鮮有文獻(xiàn)針對單晶葉片內(nèi)腔存在的等軸晶缺陷問題及其成因、影響公開報(bào)道。

本文針對DD6單晶葉片試驗(yàn)后出現(xiàn)異常裂紋的現(xiàn)象，揭示出葉片內(nèi)腔存在等軸晶缺陷及其分布規(guī)律，并系統(tǒng)地研究了等軸晶的形成原因，以此為依據(jù)提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

1 試驗(yàn)方法與材料

DD6單晶葉片在室溫條件下進(jìn)行振動試驗(yàn)過程中，葉片過早出現(xiàn)裂紋。采用DK7750TS型線切割機(jī)將裂紋處整體制取，利用Zeiss Discovery V8型體視顯微鏡對裂紋形貌進(jìn)行宏觀檢查。將裂紋打開后，利用超聲波清洗機(jī)對裂紋斷口進(jìn)行清洗以便后續(xù)觀察，再利用 KEYENCE-VHXS50F光學(xué)顯微鏡、ZEISS Sigma 500型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對斷口宏觀和微觀形貌及解剖截面形貌觀察分析。在裂紋附近取樣進(jìn)行基體顯微組織分析，利用OXFORD X-MAXn型能譜分析儀對故障葉片基體成分進(jìn)行檢測；采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行葉片應(yīng)力分布研究。

葉片材料為DD6鎳基單晶高溫合金，其化學(xué)成分見表1，主要生產(chǎn)流程為葉片鑄造、清殼、脫芯、鑄態(tài)檢查、工藝孔焊接、熱處理、單晶完整性檢測、取向測量和理化檢測。葉片精鑄件[001]結(jié)晶取向與葉片精鑄件主應(yīng)力軸的偏離應(yīng)不大于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定角度。

表1 DD6鎳基單晶高溫合金化學(xué)成分 %

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

2.1 外觀檢查

為摸索某結(jié)構(gòu)葉片的疲勞極限，在特定應(yīng)力條件下進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)循環(huán)至8.01×106時(shí)頻率降低。經(jīng)檢查確定葉片葉盆側(cè)榫頭處存在1條平直狀的裂紋，且裂紋沿45°方向貫穿緣板并延伸至葉身根部，如圖1箭頭所示，裂紋末端存在分叉現(xiàn)象。榫頭處可見明顯的試驗(yàn)夾具壓痕，但與裂紋未重合，表明裂紋的萌生與試驗(yàn)無關(guān)。

圖1 葉片裂紋宏觀形貌

2.2 斷口分析

將裂紋人工打開，在體視顯微鏡下觀察斷口宏觀形貌，如圖2所示。斷口較光滑，呈鏡面特征，具有較強(qiáng)的反光性?？梢娒黠@的河流狀放射棱線特征，根據(jù)其匯聚方向判斷，斷口僅存在1處裂紋源區(qū)，位于葉片內(nèi)腔處，具體位置如圖2中紅箭頭所示。斷口其他區(qū)域均為裂紋萌生后的擴(kuò)展區(qū)域。

在場發(fā)射掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，斷口源區(qū)形貌如圖3所示。源區(qū)位于亞表面，呈多源特征，未見放射棱線特征及明顯冶金缺陷（圖3中紅色虛線內(nèi)）。對該區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖4所示。從圖中可見，除DD6合金基體元素外，存在Ti元素，且不存在Re元素。斷口擴(kuò)展區(qū)微觀形貌如圖5所示。從圖中可見滑移線和細(xì)密的疲勞條帶特征，疲勞條帶間距約為0.3μm，表明該裂紋性質(zhì)為高周疲勞。

圖2 裂紋斷口宏觀形貌

圖3 源區(qū)放大形貌

圖4 源區(qū)處能譜分析

圖5 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

2.3 表面檢查

對源區(qū)附近表面放大觀察，整體形貌如圖6（a）所示。從圖中可見，源區(qū)位于葉片內(nèi)腔平直段處。局部放大觀察，可見數(shù)量較多、大小不一的晶粒，約占1.17 mm×1.54 mm，如圖6（b）所示。對晶粒處放大觀察，可見晶粒較完整，輪廓清晰，晶界上存在大量的孔洞，彎折較多，且不連續(xù)，如圖6（c）所示。綜合分析可知[14]，該處晶粒應(yīng)為等軸晶晶粒，且疲勞源區(qū)正位于此處。有研究報(bào)道[15-16]，單晶材料中存在異常晶粒易破壞單晶組織形態(tài)，且在垂直主應(yīng)力軸的橫向晶界處萌生裂紋，降低葉片的疲勞壽命。

2.4 解剖分析

圖6 源區(qū)附近表面形貌

圖7 源區(qū)斷口截面微觀形貌

對垂直源區(qū)斷口表面解剖檢查分析，形貌如圖7（a）所示。整體為枝晶組織，僅在內(nèi)腔壁局部區(qū)域存在異常組織，呈淺藍(lán)色，襯度存在差異，呈突出狀（紅色虛線內(nèi)）。放大觀察形貌如圖7（b）所示，該異常組織無枝晶特征，面積約為1.0 mm×0.3 mm，內(nèi)部可見大量黑色孔洞。同時(shí)，可見等軸晶晶粒正位于該異常組織局部區(qū)域表面（紅色箭頭）。該無枝晶的異常組織區(qū)與正常枝晶區(qū)界面明顯，對其放大觀察，形貌如圖7（c）所示，可見較大的孔洞和外來物（紅色箭頭），對其進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)主要元素為Si、Al、O等，界面兩側(cè)未見明顯差異，均為方格狀的γ+γ′顯微組織。對二者進(jìn)行成分對比分析，可見明顯的異常，無枝晶的異常組織區(qū)存在Ti元素且不存在Re元素，如圖8所示。

對等軸晶晶粒處放大觀察，形貌如圖9（a）所示。晶界處放大觀察形貌如圖9（b）所示，晶界存在粗化，約為17.65μm。局部呈胞狀，γ′相連通成條形且大部分存在垂直于晶面的方向性，其他區(qū)域?yàn)槲龀鎏蓟?，形狀呈塊狀、棒狀。對局部晶界處進(jìn)行面掃描分析，結(jié)果如圖10所示?？芍蓟镏饕獮镹b元素，應(yīng)為MC型碳化物。同時(shí)，等軸晶晶粒處顯微組織同樣為正常方格狀γ+γ′。

2.5 顯微組織檢查

對故障葉片裂紋附近的基體取樣進(jìn)行顯微組織檢查，結(jié)果如圖11所示。該組織為典型的方格狀γ+γ′組織，較均勻，符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 異常組織處與正常枝晶處成分對比

圖9 等軸晶晶粒放大形貌

圖10 局部晶界處面掃描分析結(jié)果

2.6 成分分析

對故障葉片裂紋附近基體進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表2。從表中可見，故障葉片基體的成分符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 故障葉片基體顯微組織

表2 故障葉片基體成分分析結(jié)果 %

2.7 應(yīng)力計(jì)算

對故障葉片振動應(yīng)力分布分析如圖12所示。從圖中可見，該結(jié)構(gòu)葉片最大應(yīng)力區(qū)位于葉片第1榫齒處（紅色區(qū)域）。該葉片疲勞源區(qū)未處于此處，表明該葉片疲勞裂紋的產(chǎn)生與最大應(yīng)力無關(guān)。

圖12 葉片榫頭處振動應(yīng)力分布

3 分析與討論

3.1 葉片裂紋失效原因

根據(jù)故障葉片裂紋分析結(jié)果可知，葉片裂紋位于榫頭，且貫穿緣板延伸至葉身根部，較平直。根據(jù)斷口放射棱線特征，判斷源區(qū)位于葉片內(nèi)腔平直段流道亞表面，擴(kuò)展區(qū)微觀形貌可見細(xì)密的疲勞條帶和滑移線，表明裂紋斷口性質(zhì)為高周疲勞；通過對源區(qū)附近表面及解剖檢查分析，可知疲勞源區(qū)附近表面可見大量的等軸晶晶粒，結(jié)合疲勞源區(qū)具體位置，綜合分析表明：DD6單晶渦輪轉(zhuǎn)子葉片過早萌生疲勞裂紋的主要原因?yàn)槿~片內(nèi)腔存在異常的等軸晶晶粒，且無枝晶異常組織區(qū)也促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展。同時(shí)，也排除與葉片基體材質(zhì)及結(jié)構(gòu)上最大應(yīng)力區(qū)有關(guān)的可能。

3.2 等軸晶成因

通過上述對葉片裂紋萌生的原因分析可知，對無枝晶異常組織、等軸晶的形成原因及機(jī)理進(jìn)行深入研究對本次故障具有重要意義。由于等軸晶位于無枝晶異常組織區(qū)表面（以下簡稱異常組織），因此異常組織對等軸晶的形成起到至關(guān)重要的作用。通過對該異常組織的顯微組織分析可知，與正常枝晶區(qū)的顯微組織相比，未見明顯差異，均為方格狀的γ+γ′組織。根據(jù)單晶高溫合金固溶和時(shí)效作用[17-18]可知，固溶處理可以保證γ′相和γ/γ′共晶相全部固溶而不發(fā)生初熔，使得合金均勻化；時(shí)效處理是促使固溶后析出的γ′相長大，并調(diào)整為適宜尺寸和形態(tài)的過程，二者共同作用直接影響合金顯微組織形貌，因此根據(jù)顯微組織形貌可知，該異常組織經(jīng)歷了完整的固溶+時(shí)效熱處理，進(jìn)一步判斷異常組織在熱處理之前已存在。對異常組織區(qū)和枝晶區(qū)的界面分析可知，二者整體結(jié)合較好，但局部區(qū)域存在孔洞（圖 7（b））及 Si、Al、O 等元素（圖7（c））。成形過程中葉片內(nèi)腔選用SiO2基陶瓷型芯鑄造。研究[19]表明：在高溫條件下，DD6高溫合金與陶瓷型芯的界面會發(fā)生劇烈反應(yīng)，生成厚約5～6 μm的Al2O3。經(jīng)分析判斷，認(rèn)為界面上的Al、O元素應(yīng)為反應(yīng)產(chǎn)物，而Si元素應(yīng)為脫芯后殘留型芯所致，由此推斷該異常組織應(yīng)在脫芯后出現(xiàn)。最后結(jié)合葉片生產(chǎn)工藝履歷判定異常組織應(yīng)在工藝孔焊接工藝階段中產(chǎn)生。

對異常組織附近的葉片內(nèi)腔局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖13所示。距離異常組織約3.8 mm存在工藝孔，位于葉身內(nèi)腔緣板附近，與葉身內(nèi)腔氣體流道連通。采用葉片脫芯工藝后，為避免葉片工作時(shí)冷卻氣體流失現(xiàn)象或擾流現(xiàn)象的發(fā)生，對工藝孔采用高溫真空釬焊的方式進(jìn)行封堵處理。堵頭選用與葉片基體相同的DD6合金，焊料采用高溫合金粉，使用前用膠調(diào)制成糊狀，膠采用水基粘結(jié)劑與水調(diào)制而成。對工藝孔堵頭處的焊料進(jìn)行分析，結(jié)果如圖14所示。焊料成分與異常組織的元素組成相同（也存在低熔點(diǎn)的Ti元素，未見Re元素），且含量基本一致，最終研究表明：該異常組織應(yīng)為工藝孔堵頭處的高溫合金焊料。

圖13 葉片內(nèi)腔工藝孔

圖14 工藝孔堵頭處焊料分析結(jié)果

根據(jù)高溫真空釬焊的原理[20]可知，焊料熔化成液態(tài)后再凝固，在凝固過程中，焊料的外表面（即晶粒處）處于自由表面態(tài)，其自由能相對較高，張力也相對較大，在不穩(wěn)定的高自由能階段，這些能量在溫度較高時(shí)就會向低自由能轉(zhuǎn)變[21]。而且，高溫合金本身導(dǎo)熱性較差，在高溫真空焊接冷卻過程中外表面優(yōu)先冷卻，以外表面為核心形成較多的形核質(zhì)點(diǎn)，即均勻形核的“胚芽”或稱晶胚，但由于液相中能量起伏有限，不足以使液面所有外表面均產(chǎn)生等軸晶晶粒，因此，最終在高溫真空焊接過程中于異常組織（高溫合金焊料）的局部區(qū)域外表面形成等軸晶。

3.3 改進(jìn)措施

實(shí)際上，針對航空發(fā)動機(jī)單晶葉片內(nèi)腔等軸晶的故障問題至今未見公開報(bào)道。本文所敘述的故障葉片內(nèi)腔等軸晶晶粒的問題是由工藝孔處高溫合金焊料遺留后造成的。該現(xiàn)象在實(shí)際葉片批產(chǎn)后的生產(chǎn)中極易出現(xiàn)，如圖15所示。所使用的高溫合金焊料與葉片基體材料的主要合金元素十分相近，一旦萌生裂紋，將迅速擴(kuò)展至葉片基體，從而導(dǎo)致葉片整體失效。因此在葉片生產(chǎn)中，應(yīng)密切關(guān)注葉片內(nèi)腔的生產(chǎn)質(zhì)量。針對DD6單晶合金葉片，建議今后開展以下工作。

（1）嚴(yán)格控制葉片內(nèi)腔工藝孔堵頭焊接過程的生產(chǎn)質(zhì)量，避免出現(xiàn)焊料隨機(jī)遺留的情況。

（2）應(yīng)加強(qiáng)對葉片內(nèi)腔的監(jiān)控，對易發(fā)生問題的危險(xiǎn)部位摸索出探入式檢查方法，必要時(shí)可開展解剖式檢查。

圖15 同結(jié)構(gòu)其他葉片內(nèi)腔工藝孔堵頭處

（3）采用焊料先與堵頭進(jìn)行初焊接，放置到工藝孔后再進(jìn)行最終焊接的生產(chǎn)順序。

（4）調(diào)整葉片內(nèi)腔局部結(jié)構(gòu)，減少工藝孔堵頭的使用。

4 結(jié)論

（1）某航空發(fā)動機(jī)DD6單晶合金渦輪轉(zhuǎn)子葉片裂紋為高周疲勞裂紋，起源于葉片內(nèi)腔平直段亞表面，呈多源特征。

（2）渦輪葉片內(nèi)腔局部區(qū)域存在等軸晶晶粒是導(dǎo)致過早萌生疲勞裂紋的主要原因，且無枝晶異常組織也促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展。

（3）葉片內(nèi)腔局部區(qū)域存在遺留的高溫合金焊料是等軸晶晶粒形成的重要條件。

（4）疲勞裂紋的萌生與故障葉片材質(zhì)及結(jié)構(gòu)上的最大應(yīng)力區(qū)無直接關(guān)系。