單晶渦輪葉片型腔內(nèi)一類外來(lái)物的成因分析

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(中國(guó)航發(fā)航空科技股份有限公司，成都 610503)

渦輪葉片是直接利用高溫、高速燃?xì)庾龉Φ年P(guān)鍵零件，其工作環(huán)境非常惡劣，要求材料具有足夠好的熱高低周疲勞、蠕變及其交互性能[1]。相比等軸及定向高溫合金，單晶高溫合金由于完全消除了晶界，很大程度上提高了合金的高溫蠕變性能和疲勞性能[2]。鎳基單晶合金材料因具有卓越的高溫性能,被用于先進(jìn)航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的制造中，受到材料學(xué)家、力學(xué)家及工程師的廣泛關(guān)注。

筆者所在單位正在試制的某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，其單晶渦輪葉片毛坯是由北京某研究院(以下稱研究院)生產(chǎn)提供，筆者單位進(jìn)行機(jī)加、裝試的。該葉片毛坯的X射線檢測(cè)由研究院和筆者單位共同完成，檢測(cè)地點(diǎn)為研究院X射線檢測(cè)間，合格葉片毛坯發(fā)往筆者單位進(jìn)行后續(xù)加工。筆者單位共需進(jìn)行26道工序，產(chǎn)品合格后方能入庫(kù)。其中在第20道工序?qū)C(jī)加后的葉片進(jìn)行X射線檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)底片上有顯示，從底片上顯示的特征和所處的位置來(lái)看，懷疑是外來(lái)物。

1 單晶渦輪葉片的X射線檢測(cè)過(guò)程

1.1 膠片X射線檢測(cè)

單晶渦輪葉片毛坯合格件入廠以后，要經(jīng)過(guò)26道加工工序方能入庫(kù)，工序流程如表1所示。

從表1可以看出，當(dāng)零件進(jìn)行到X射線檢測(cè)工序時(shí)，機(jī)械加工工序已全部完成，需按照X射線檢測(cè)規(guī)范要求對(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)。筆者所在單位X射線檢測(cè)主要采用的是膠片成像工藝，X射線機(jī)型號(hào)為ISOVOLT320 M2，膠片類型為天津V型，自動(dòng)洗片機(jī)型號(hào)為NDT SECO。圖1為單晶渦輪葉片實(shí)物與X射線檢測(cè)結(jié)果。圖1(b)中紅色圓圈內(nèi)為疑似外來(lái)物的顯示，該顯示在底片上呈不規(guī)則的白色片狀結(jié)構(gòu)，影像的黑度不均勻，且位于葉身有型腔的區(qū)域，但位置隨機(jī)分布。

表1 單晶渦輪葉片機(jī)加工序

圖1 單晶渦輪葉片實(shí)物與膠片型X射線檢測(cè)結(jié)果

1.2 數(shù)字實(shí)時(shí)成像X射線檢測(cè)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該疑似顯示的真實(shí)性，采用數(shù)字實(shí)時(shí)成像X射線檢測(cè)系統(tǒng)(DR)對(duì)該葉片進(jìn)行了復(fù)驗(yàn)。DR檢測(cè)系統(tǒng)由射線源、被檢工件、成像探測(cè)器、成像及控制中心組成。圖2為單晶渦輪葉片DR檢測(cè)的示意圖，圖3為實(shí)際檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖片。

圖2 單晶渦輪葉片DR檢測(cè)示意

圖3 單晶渦輪葉片DR檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖片

X射線機(jī)管頭型號(hào)為Y.TU/320-D03定向，管電壓為15～320 kV，焦點(diǎn)形狀為圓形，小焦點(diǎn)直徑為3.0 mm，大焦點(diǎn)直徑為5.5 mm。

平板探測(cè)器(成像板)是美國(guó)PerkinElmer公司的XRD-0822 AP，面板部分基本技術(shù)參數(shù)為：像素?cái)?shù)目1 024×1 024[3]，像素間距200 μm，總面積204.8 mm×204.8 mm。

圖4 單晶渦輪葉片DR檢測(cè)結(jié)果

圖4(a)為單晶渦輪葉片的DR檢測(cè)結(jié)果，數(shù)字圖像處理軟件中采用的底片模式為“負(fù)片”，圖4(b)為經(jīng)過(guò)浮雕處理后的圖片，浮雕處理能使底片中的影像具有立體感，更容易識(shí)別?？梢?jiàn)，圖4(a)和圖4(b)的影像都清晰地顯示出了外來(lái)物的影像，證明了外來(lái)物存在的真實(shí)性。

2 單晶渦輪葉片中外來(lái)物的成因分析

為了弄清外來(lái)物的成因，筆者主要進(jìn)行了三個(gè)方面的驗(yàn)證工作。

2.1 排除X射線檢測(cè)共檢時(shí)缺陷漏檢

為了排除X射線檢測(cè)共檢時(shí)葉片內(nèi)部存在高密度夾雜或型腔內(nèi)殘留型芯沒(méi)有清理干凈的可能性，筆者單位X射線檢測(cè)技術(shù)員對(duì)相關(guān)顯示的信息進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。同時(shí)要求研究院X射線檢測(cè)技術(shù)員結(jié)合這些信息對(duì)共檢的底片進(jìn)行復(fù)查，復(fù)查結(jié)果顯示所有葉片在共檢時(shí)都不存在外來(lái)物顯示。

2.2 排除熒光檢測(cè)過(guò)程中顯像粉殘留

目視檢測(cè)零件外表面光滑無(wú)異物，說(shuō)明該顯示存在于零件內(nèi)表面，采用冷光源伸到型腔內(nèi)，裸眼可見(jiàn)該顯示處有多余物緊貼在零件內(nèi)壁上。筆者單位用普通高壓氣槍對(duì)葉片型腔進(jìn)行清理后再次進(jìn)行X射線檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示該清理無(wú)效，底片中的外來(lái)物顯示無(wú)任何變化。

分析表1中該葉片的加工工序，懷疑是第一次“熒光檢測(cè)”過(guò)程中顯像粉(鎂粉)經(jīng)“葉冠裝配面釬焊”工序中的高溫，黏結(jié)在葉片內(nèi)壁形成的。為驗(yàn)證這種假設(shè)，筆者將鎂粉置于零件表面進(jìn)行X射線檢測(cè)，如圖5所示。

圖5 鎂粉置于單晶渦輪葉片上

經(jīng)過(guò)X射線檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)底片上并沒(méi)有鎂粉的影像，底片中的影像與圖1中沒(méi)有放置鎂粉時(shí)相同。該試驗(yàn)排除了外來(lái)物為顯像粉殘留的可能性。

2.3 剖切零件對(duì)外來(lái)物進(jìn)行成分分析

為了弄清楚該外來(lái)物的來(lái)源，對(duì)該零件進(jìn)行了剖切，圖6(a)為剖切面在VHX-5000體視顯微鏡下的圖片；將外來(lái)物取出，其實(shí)物見(jiàn)圖6(b)，可見(jiàn)該外來(lái)物顏色稍黑，質(zhì)軟，呈蓬松狀，剛性差。

圖6 單晶渦輪葉片中的外來(lái)物在顯微鏡下的顯示及其實(shí)物圖

采用Oxford能譜儀對(duì)單晶葉片基體和外來(lái)物進(jìn)行能譜分析。圖7為剖切面在JEOL JSM-6610LV掃描電鏡下的圖片，其中，從葉片型腔內(nèi)的外來(lái)物上取樣(標(biāo)為樣本1和樣本2)，葉片基體上取樣(標(biāo)為樣本3)。三個(gè)采樣區(qū)的能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖8和表2。由表2可以很直觀地發(fā)現(xiàn)：該外來(lái)物與葉片基體元素含量沒(méi)有明顯差異。

圖7 剖切面的掃描電鏡圖

表2 三個(gè)采樣區(qū)的能譜分析數(shù)據(jù)表%

圖8 三個(gè)采樣區(qū)的能譜分析

結(jié)合能譜分析結(jié)果，可知該外來(lái)物來(lái)源于葉片本身；結(jié)合葉片機(jī)加工序流程圖，單晶渦輪葉片型腔內(nèi)外來(lái)物和基體材料，推斷外來(lái)物是磨加工過(guò)程中產(chǎn)生的金屬粉末通過(guò)葉片上的進(jìn)排氣孔進(jìn)入型腔內(nèi)，在進(jìn)行“葉冠裝配面釬焊”工序時(shí)，在真空釬焊爐的高溫環(huán)境下由于原子擴(kuò)散作用緊緊地黏接在葉片內(nèi)壁上而形成的。

3 單晶渦輪葉片中外來(lái)物的去除

根據(jù)外來(lái)物的特性，研究院采用水切割設(shè)備改裝的超高壓水槍對(duì)葉片型腔進(jìn)行清理，水槍依次對(duì)準(zhǔn)進(jìn)氣孔1，2，3進(jìn)行沖洗，將外來(lái)物由排氣孔排出，如圖9(a)所示。圖9(b)為清理時(shí)，使用的葉片專用夾具。最后采用冷光源裸眼觀察，觀察不到外來(lái)物的情況下，再次進(jìn)行X射線檢測(cè)。經(jīng)過(guò)多次沖洗，所有葉片外來(lái)物去除干凈，最終零件的X射線檢測(cè)合格。

圖9 單晶渦輪葉片中外來(lái)物去除示意及其專用夾具

4 結(jié)語(yǔ)

筆者公司在對(duì)某批次成品單晶渦輪葉片X射線檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)型腔內(nèi)有外來(lái)物，通過(guò)對(duì)該外來(lái)物進(jìn)行能譜分析與去除等試驗(yàn)，分析了其成因，為同類型零件型腔內(nèi)異物來(lái)源的分析提供了參考?；诖?，建議在型腔類零件的機(jī)加及運(yùn)輸過(guò)程中，對(duì)零件表面型腔入口進(jìn)行密封保護(hù)，以防止型腔內(nèi)進(jìn)入外來(lái)物導(dǎo)致零件在工作過(guò)程中失效甚至產(chǎn)生致命危害。