IC10合金渦輪葉片葉身不同部位取樣的力學性能試驗

董自超，遲慶新，王 威，王 全，劉 芳，耿 瑞

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

航空發(fā)動機渦輪葉片是實現功能轉換的關重部件，也是一個國家航空工業(yè)水平的顯著標志[1]。在近幾十年的研制進程中，渦輪葉片逐步實現了鑄造代替鍛造和材料工藝技術的提升。定向凝固鑄造技術的突破成功消除了垂直于葉片主應力方向的橫向晶界，提高了葉片的服役溫度和壽命[2-4]。目前，性能更為優(yōu)異的定向合金和單晶合金已成為先進發(fā)動機的重要特色，且在未來相當長的時間內仍將是渦輪葉片最重要的材料[5]。渦輪葉片在設計時通常采用材料數據手冊（以下簡稱手冊）上標準試棒的測試數據，然而考慮到葉片薄壁鑄造特性和葉身彎扭結構特征等因素，鑄造葉片不同部位的材料性能數據與手冊數據往往存在差異。缺少葉片本體材料性能數據的設計往往偏于保守或激進，進而導致材料達不到最佳的使用性能或造成葉片過早失效。因此，獲得渦輪葉片的本體材料性能對于指導葉片設計、葉片類故障排除和葉片壽命評估具有重要意義。

國內外針對渦輪葉片的結構特征和葉身本體材料性能開展了相關的試驗研究。王亮等[6-8]通過設計板狀試樣研究葉片的薄壁特征，對比研究了薄壁試樣與標準試棒的性能差異和持久斷裂模式；閆曉軍等[9-10]通過設計結構模擬件研究了定向凝固渦輪葉片不同部位材料的疲勞和持久性能差異；Arakere 等[11]和岳珠峰等[12]開展了葉片晶體取向差異對葉片疲勞和蠕變性能影響的研究；Kolbe 等[13-14]和曹剛等[15-16]從葉片本體上切割出小尺寸板狀試樣進行性能測試，研究了小尺寸試樣的取樣形式和試驗及影響因素，相比于標準試驗件，本體取樣可更加真實地反映葉片本體的鑄造組織、晶體取向和薄壁等特征。

IC10 是Ni3Al 基定向凝固高溫合金，具有良好的抗氧化性、耐腐蝕性、可鑄造性和組織穩(wěn)定性，已在航空發(fā)動機渦輪導向葉片上獲得了較為充分的應用[17-18]。本文對IC10 合金定向凝固空心渦輪葉片進行取樣，對比了葉身不同部位的組織狀態(tài)，完成了試驗工裝的優(yōu)化設計，開展了小尺寸試樣的高溫拉伸和持久壽命試驗，并與手冊[16]數據進行對比分析。

1 試驗件及試驗方法

1.1 試驗件切取

根據IC10 合金導葉尺寸和彎扭結構，確定了取樣試驗件的尺寸，取樣的幾何形狀及尺寸如圖1 所示，取樣位置如圖2 所示。在渦輪葉片葉身的尾緣、葉背和葉盆3 個位置沿葉高方向通過線切割的方式進行試樣切取，默認取出試驗件的長度方向即葉片的定向凝固方向（縱向），取樣數量根據實際情況確定。線切割后對試樣側面和表面進行打磨。試驗件厚度D以實際加工為準并保持一致，打磨后的最終厚度約為1.7 mm。

圖1 取樣的幾何形狀及尺寸

圖2 取樣位置

1.2 試驗件裝卡及試驗方法

受葉片本體取樣的尺寸和結構限制，帶有萬向節(jié)的試驗機主體和常規(guī)工裝難以保證試樣安裝的一致性和加載的同軸度，直接影響小試樣試驗結果的可信度。為此設計了試驗工裝，如圖3 所示。在試驗前，上、下夾塊與試驗機主體通過銷釘進行連接，兩側的定位銷約束上、下夾塊實現共面定位，此時將試樣放置在上、下夾塊的中心開槽當中，通過試樣兩側共4 個定位塊完成試樣相對于上、下夾塊的找中和定位。定位銷和定位塊的設置雙重約束了試樣相對于試驗加載軸線的偏移，減少了因裝配和加載帶來的附加彎矩和載荷擾動的影響，可顯著提高小試樣安裝的一致性和加載同軸度。

圖3 試驗工裝

采用有限元軟件對工裝夾具體與裝夾試樣進行了應力計算，夾具體與試樣的應力分布如圖4 所示。從試驗結果可知，夾具體應力儲備遠高于試驗件，試驗件平行段處于均勻的應力狀態(tài)，是整個加載系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，說明試驗件和夾具體設計合理。

圖4 夾具體與試樣的應力分布

待試驗件與夾具體完成裝配連接后進行試驗。拉伸與持久壽命試驗分別參照《金屬高溫拉伸試驗方法》（HB 5195）、《金屬高溫拉伸持久試驗方法》（HB 5150）進行。對于取樣試驗件延伸率的測試而言，由于試驗件尺寸較小，通過打點、劃刻的方式做標記易造成試驗件表面較大的損傷，且氧化后難以辨識，本文采用試驗件的總長變化來計算延伸率δ

式中：L0為試驗件原始總長，本次試驗的L0=12 mm；L1為試驗件斷裂后拼接在一起的試驗件總長，通過試驗后測量得到；L2為試驗件的平行段長度，本次試驗的L2=4 mm。

從圖4 中試驗件上的應力分布可知，試驗件在懸掛加載的過程中，在非平行段處也可能會存在少量塑性變形，且由于平行段較短（4 mm），按式（1）計算得到的延伸率會與標準試棒的存在差異，僅作為小試樣延伸率的度量。

2 試驗結果和解析

2.1 拉伸試驗

在試驗前，對葉身尾緣、葉背和葉盆取樣處附近的組織形貌進行觀察，取樣位置的原始組織形貌如圖5 所示，γ基體上分布著不規(guī)則立方化程度較高的γ'相。作為合金強化相，γ'相在形貌特征、尺寸大小、分布情況和體積分數上在不同的取樣位置處并沒有明顯差別。這是因為新葉片未經歷高溫和載荷作用，且取樣位置相對較為平直，在鑄造過程中，并不存在由于葉片形狀和幾何突變而導致的顯微組織差異。

圖5 取樣位置的原始組織形貌

在900 ℃下取樣的拉伸試驗結果和相同試驗參數下的手冊數據[17]見表1，試驗中的應力-位移曲線及試驗件宏觀斷裂形貌如圖6 所示。試樣經過彈性變形階段后，存在明顯的塑性變形屈服過程，試樣最終均在平行段內斷裂，目視斷裂處發(fā)生了一定程度的頸縮。對于屈服強度的獲取，測試時需要在應力-位移曲線的彈性直線段部分確定基準線，從圖6 中可見，不同部位取樣的彈性段的斜率具有明顯差異，會導致得到的屈服強度存在較大差別，因此給出的屈服強度僅供參考。

表1 取樣的拉伸試驗結果

圖6 取樣的應力-位移曲線及斷后形貌

不同部位取樣拉伸結果對比如圖7 所示。從圖中可見，不同部位取樣的抗拉強度相差不大，主要是因為不同取樣位置具有較為相似的組織，而組織對于力學性能的影響極為重要。延伸率作為塑性指標則具有較為明顯的差別。圖中虛線為材料數據手冊[17]中選用IC10 合金縱向標準試棒測試獲得的材料拉伸數據。從對比結果可知，取樣的抗拉強度明顯低于標準試棒的，下降約20%，是取樣的尺寸效應和薄壁效應的體現。取樣的屈服強度略低于標準試棒的，延伸率則明顯高于標準試棒的，其中，根據式（1）計算獲得的試樣延伸率包含了夾持段發(fā)生的塑性變形，是延伸率偏高的原因之一。

圖7 不同部位取樣的拉伸試驗結果對比

2.2 持久壽命試驗

在葉身尾緣、葉背和葉盆處的取樣在900 ℃、342/374 MPa 下的持久壽命試驗結果如圖8 所示，取樣均在平行段內斷裂。在同等試驗條件下，不同位置取樣的持久壽命存在交叉的現象。從持久斷后延伸率的結果可知，本試驗中的應力變化（342/374 MPa）對取樣延伸率的影響較小，不同位置取樣的延伸率在42%～56%內變化，均值差別不大，但相比于拉伸試驗結果有明顯提高，這是因為取樣試驗件在持久試驗中經歷了較為充分的蠕變變形。

圖8 不同部位取樣的持久試驗結果

不同部位取樣的持久壽命與應力的變化關系如圖9 所示。從圖中可見，當試驗應力從342 MPa 提升至374 MPa 后，不同部位取樣的持久壽命均大幅下降，其中盆側取樣的下降最為明顯，下降約64%。材料數據手冊[17]中IC10 合金縱向標準試棒在900℃下100 h試驗時間的持久壽命極限（中值）為342 MPa，在900 ℃下50 h 試驗時間的持久壽命極限（中值）為374 MPa，以此作為對比，取樣試驗件的持久壽命比手冊中的數據大幅降低，降低幅度在76%～85%，下降幅度最大值分別為342 MPa 下背側取樣的84.4%和374 MPa下盆側取樣的84.5%。

圖9 不同部位取樣的持久壽命與應力的變化關系

研究[6-8]表明，高溫持久斷裂過程與表面氧化有密切關系，薄壁試樣的持久壽命低于標準試棒的，且試樣越薄，表面氧化越嚴重，持久壽命越短。從取樣的持久壽命結果來看，IC10 葉片取樣同樣具有此薄壁效應。假設葉片取樣和圓形試棒（直徑5 mm）的氧化程度均勻且一致，取樣平行段的橫截面周長與面積之比會是圓形試棒的5 倍，這就意味著2 種試驗件表面氧化層在試驗件上的占比不同，氧化后葉片取樣的有效承載面積會明顯減小，實際承載應力則顯著提高。除氧化因素外，薄壁葉片的鑄造組織效應同樣會對持久壽命帶來影響。與標準試棒相比，通常認為薄壁試樣的凝固速度快，一次枝晶間距變小，熱處理則易造成薄壁試樣的γ'相尺寸和殘余共晶含量較小[7]，但其影響機制和程度還需要做進一步的對比研究。

選取葉身盆側取樣試驗件持久試驗后的形貌見圖10。試驗件表面可見明顯氧化，圖10（b）為圖10（a）中靠近斷口處的局部放大圖，從圖中可見到大量垂直于加載軸線方向的微裂紋，裂紋內部也可見明顯氧化滲透。從圖10（c）、（d）試驗件斷口可見到通過撕裂棱連接起來的韌窩和蠕變空穴形成的孔洞。從試驗件斷后形貌分析，在試驗過程中，試驗件表面發(fā)生氧化，在應力的持續(xù)作用下，氧化表面開裂形成微裂紋并向試驗件內部擴展；而試驗件內部則經歷了蠕變空穴的形成和長大。隨著試驗的進行，當裂紋擴展與內部孔洞和韌窩的連接導致試驗件有效承載面積減小至無法承受外加載荷時，試驗件發(fā)生最終破斷。

圖10 持久試驗后試樣表面和斷口的形貌特征

3 分析與討論

（1）盡管取樣已屬于微型試樣，但葉身可供取出的試樣數量仍有限，且取出的每1 個試驗件對應于葉片的一個位置，具有唯一性。本文中未經服役葉片不同位置的組織狀態(tài)相似，取樣性能差別不大，當葉片經過服役后，不同位置將具有不同的服役履歷，組織狀態(tài)可能會存在差異，最終導致不同程度的性能衰減，是研究葉片服役損傷的方向。

（2）本文默認了取樣的長度方向即葉片的定向凝固方向，但相比于標準試棒較為明確的晶粒取向（晶粒取向不超過15°），受限于葉片彎扭結構和取樣工藝，即使在取向合格的葉片上沿著同一個方向切取試樣也可能導致取樣與標準試棒之間、不同位置取樣之間存在晶粒取向和狀態(tài)（如包含的晶界數量）差異，從而導致性能差異和數據分散。因此，在試驗前對取樣進行檢測和表征，明確取樣的實際狀態(tài)是很有意義的[13]。

（3）本文嘗試借助優(yōu)化工裝的方式降低試驗中如附加彎矩等帶來的影響，但小試樣試驗的影響因素甚多，且相比標準試棒可能會呈現放大的趨勢。由于各類葉片葉型結構復雜，可切取空間小，干擾結構（如氣膜孔、擾流柱等）多，如何準確定位葉片取樣位置，保證取樣的一致性，以及后續(xù)的試樣加工對于獲得可信的試驗數據、降低數據分散性都十分重要。對于渦輪葉片較為關注的蠕變變形問題，在試驗技術上，已經完成蠕變夾具的設計，后續(xù)將開展蠕變性能的測試，但由于取樣較短的平行段，間接變形測量的有效性和后續(xù)修正及應用需要做進一步的研究。

4 結論

（1）在拉伸與持久壽命試驗中，葉身取樣均在平行段斷裂，試驗件和工裝設計合理；

（2）相比于手冊中的標準試棒，葉身取樣的抗拉強度明顯降低，持久壽命也大為縮短；

（3）葉身不同部位的組織形貌相似，取樣的拉伸和持久性能差異不大，應力升高會導致持久壽命明顯降低。