鈦合金葉片流線顯微分析

文／關(guān)紅，邰清安，周浩浩·中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司

本研究采用光學(xué)金相(OM)、掃描電子顯微鏡（SEM）、背散射電子衍射（EBSD）、透射電子顯微鏡(TEM)等技術(shù)對某發(fā)動機壓氣機鈦合金葉片進行檢驗與分析。通過檢驗獲取葉片流線和非流線區(qū)域的組織形貌、取向成像顯微形貌圖、顯微硬度數(shù)據(jù)，并進行對比分析，綜合評價流線區(qū)域?qū)︹伜辖鹑~片微區(qū)的影響。分析結(jié)果表明流線形成的原因是葉片各部位變形量不同，晶粒尺寸大小不一樣導(dǎo)致。

葉片在發(fā)動機中的功能使命及其工作特點，決定了葉片是發(fā)動機中形狀復(fù)雜（三維空間曲面）、尺寸跨度大（長度從20mm到700mm），受力惡劣、承載最大的零件。由于壓氣機葉片承受靜載荷、動載荷及熱循環(huán)載荷，受到燃氣腐蝕，榫頭及阻尼臺表面要承受很大的循環(huán)應(yīng)力和接觸應(yīng)力等，因此，發(fā)動機的可靠性在很大程度上取決于葉片的可靠性，另一方面，航空發(fā)動機使用壽命延長是當今航空發(fā)展的顯著特點之一，總壽命已達上千小時。制造技術(shù)的響應(yīng)必須有數(shù)量級的變化，包括對葉片技術(shù)要素全面符合性的實現(xiàn)、葉片表面完整性的保證等。航空發(fā)動機的鍛造葉片對金屬的流線提出了嚴格的要求，要保證截面流線沿外形分布，避免紊流、渦流、穿流以及不順的流線產(chǎn)生。

本文針對鈦合金葉片在低倍腐蝕檢查時出現(xiàn)的流線進行深入解剖分析，分析該種流線區(qū)域與非流線區(qū)域顯微組織、元素分布、晶體取向以及顯微硬度之間的差異，綜合評價流線區(qū)域?qū)︹伜辖鹑~片微區(qū)的影響。同時，通過分析鈦合金熱變形后顯微組織，分析流線成因，進而為葉片工程應(yīng)用提供了重要的參考。

實驗材料與方法

實驗所用的材料為TC4鈦合金葉片，其名義成分為Ti6Al4V，顯微組織為雙態(tài)組織。觀察方向選取垂直于葉身方向。低倍腐蝕直接在葉片葉身進行，首先對葉片進行超聲波清洗，然后浸泡在腐蝕劑（體積分數(shù)為2%HF、10%HNO3、88%H2O）中腐蝕2～3分鐘。制備OM、SEM以及顯微硬度分析樣品時，分別在葉身流線區(qū)及非流線區(qū)（基體）切取試樣，然后使用240#、400#、800#和2000#的水砂紙對試樣依次預(yù)磨，去除較深的劃痕后，在洋絨布上進行機械拋光（拋光液為SiO2的納米懸濁液），拋光5～10分鐘，最后得到鏡面效果的光亮無痕的拋光面；觀察顯微組織前，將樣品在腐蝕劑中浸泡腐蝕10秒鐘，待樣品拋光面變灰后，依次使用清水和無水乙醇沖洗樣品，風(fēng)干保存。制備TEM分析樣品時，分別在葉身流線區(qū)及非流線區(qū)切取試樣，然后使用240#、400#和800#的水砂紙對試樣依次預(yù)磨，獲得厚度小于100μm的樣品，然后依次沖孔、機械減薄、化學(xué)雙噴，制備出TEM試樣。

將金相樣品分別在Axiover 200MTA金相顯微鏡和FEI Inspect F50場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察流線區(qū)與非流線區(qū)組織，加速電壓為30kV，用配備的能譜儀（EDS）測定流線區(qū)與非流線區(qū)的成分變化，并且用配備的EBSD探頭測定流線區(qū)與非流線區(qū)的晶粒取向變化。用FM-700e顯微硬度計測定流線區(qū)與非流線區(qū)的顯微硬度，載荷為100gf，保載時間為10s，對于流線區(qū)與非流線區(qū)的樣品，重復(fù)測定15次，得出顯微硬度的平均值。最后使用TECNAI20透射電子顯微鏡，分析葉片中流線區(qū)與非流線區(qū)的晶粒內(nèi)部形貌。

實驗結(jié)果

葉片上流線的分布特征

葉片腐蝕后表面出現(xiàn)了不同形貌的流線，按相近形貌進行分類，可以分為兩類。第一類，一條沿縱向貫穿式亮線（如圖1(a））。第二類，數(shù)條沿縱向分布水紋線（如圖1(b））。兩類流線均沿葉片長度方向平行分布，寬度在微米級別，長度在厘米級別。本研究主要針對第一類流線（亮線）展開分析。

圖1 鈦合金葉片低倍形貌

流線的金相組織和顯微組織特征

對第一類流線葉片進行超聲清洗，烘干后，使用腐蝕液進行浸泡式腐蝕，觀察葉身可發(fā)現(xiàn)一條沿縱向貫穿式亮線，其金相形貌如圖1(a）所示，亮線寬度約700μm。

圖2(b）為葉片的金相組織圖，其在葉片的取樣位置如圖2(a）所示，從圖中可以看到流線區(qū)的晶粒明顯比非流線區(qū)的晶粒細很多。從高倍的金相組織形貌圖和掃描電子顯微鏡圖片（圖3、圖4）可知：流線區(qū)和非流線區(qū)組織均為初生α相+β相轉(zhuǎn)變組織，但是流線區(qū)晶粒尺寸明顯比非流線區(qū)細，其中流線區(qū)的晶粒平均直徑約為6μm，非流線區(qū)大約17μm。

圖2 葉片金相組織

圖3 葉身基體與亮線區(qū)的金相組織形貌

圖4 葉身基體與亮線區(qū)的掃描電子顯微鏡圖片

亮線區(qū)域的晶體取向分析結(jié)果

為了弄清本文的鈦合金葉片的亮線區(qū)的晶體組織是否具有擇優(yōu)取向，對圖2(b）中流線區(qū)域和非流線區(qū)域進行了EBSD分析。

圖5是葉身基體區(qū)與亮線區(qū)的EBSD晶粒取向圖，不同顏色的晶粒表示不同的取向。由圖中可知：流線區(qū)和非流線區(qū)的歐拉角分布圖都呈現(xiàn)不同的顏色，并沒有趨于一致，表明兩者均不存在明顯的擇優(yōu)取向。為了進一步弄清流線區(qū)晶粒是否存在擇優(yōu)取向，繪制了亮線區(qū)與基體區(qū)的極圖，并通過Channel_5 HKL軟件求出科恩系數(shù)，如圖6所示。科恩系數(shù)是描述多晶體取向分布的函數(shù)，它表示特定晶面沿參考方向所占的比例。當晶體在空間混亂分布時，各個晶面沿三維方向x、y、z上的比例均為1/3。測試結(jié)果顯示，流線區(qū)與非流線區(qū)各晶面科恩系數(shù)值均在0.33附近，表示區(qū)域內(nèi)晶體取向呈混亂狀態(tài)分布。圖7為葉片流線區(qū)與非流線區(qū)帶等高線極圖。從右側(cè)圖例可以看出，兩區(qū)域極點分布密度等級均在7以下，織構(gòu)很弱，與科恩系數(shù)結(jié)果一致。

圖5 葉身基體與亮線區(qū)的EBSD晶粒取向圖

圖6 葉身亮線區(qū)與基體的極圖分布與科恩系數(shù)

圖7 葉身亮線區(qū)與基體極圖的等高線極圖

亮線和非基體的化學(xué)成分與顯微硬度測定結(jié)果

用能譜（EDS）對葉片的亮線區(qū)與基體的化學(xué)成分進行分析，在觀察面上對不同區(qū)域進行化學(xué)成分測定，最后取平均值，統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示。能譜分析結(jié)果顯示，亮線區(qū)與基體之間沒有明顯成分差異。對亮線區(qū)與基體區(qū)域進行顯微硬度測試，測試結(jié)果如圖9所示。從圖9結(jié)果可知，亮線區(qū)的顯微硬度稍低于基體區(qū)域，但總體差異并不明顯。

TEM分析結(jié)果

在葉片的亮線區(qū)與基體分別取樣，并制成透射樣品進行觀察分析。通過大范圍觀察與驗證，葉片的流線區(qū)與非流線區(qū)均未發(fā)現(xiàn)微裂紋的存在，晶粒內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)孿晶等亞結(jié)構(gòu)，無異常晶粒。圖10展示了流線區(qū)與非流線區(qū)的TEM形貌，從圖中可以看出，亮線區(qū)與基體區(qū)域的晶粒為完全退火狀態(tài)，晶粒內(nèi)部無位錯纏結(jié)，不存在變形孿晶、層錯等亞結(jié)構(gòu)。

圖8 葉片亮線區(qū)與基體區(qū)中不同位置的化學(xué)成分對比

圖9 葉片亮線區(qū)與基體顯微硬度對比

討論與分析

葉片上亮線成因分析

基于以上實驗結(jié)論，注意到亮線區(qū)域與基體之間并沒有明顯成分起伏，排除了亮線是成分偏析引起的可能性?？紤]到鈦合金葉片的成形經(jīng)歷了劇烈塑性變形階段，因此主要針對塑性變形與亮線的關(guān)系展開分析。

由于葉片成形之前，要經(jīng)歷大的塑性變形，具體為熱鍛。熱鍛的變形方式等同于單向熱壓縮變形，因此，為了研究塑性變形與亮線的形成關(guān)系，采用不同變形量鈦合金壓扁樣品，分析了變形量對合金顯微組織的影響。

圖11展示了臨界分切應(yīng)力的計算模型。cosφ·cosλ稱為取向因子或施密特（Schmid）因子，它是分切應(yīng)力與軸向應(yīng)力的比值。取向因子越大，分切應(yīng)力越大，晶體越容易發(fā)生滑移。 當φ取45°時，取向因子最大。即材料在受到軸向正應(yīng)力（拉或壓）作用時，材料沿45°方向剪切應(yīng)力最大，變形最劇烈。

圖10 葉片中亮線區(qū)與基體的透射電子顯微鏡下形貌

圖11 臨界分切應(yīng)力示意圖

在壓縮實驗的研究中，我們發(fā)現(xiàn)了與施密特法則相吻合的規(guī)律，如圖12所示。樣品在受到單向壓縮時，發(fā)生不同程度的塑性變形，然而，它們都表現(xiàn)出了相同的45°方向剪切規(guī)律。在變形量超過50%后，中心的亮線逐漸明顯。

圖12 不同變形量下的鈦合金壓扁樣品截面低倍形貌

葉片鍛造時，除了坯料與模具表面存在摩擦力外，鈦合金還可能存在粘?，F(xiàn)象，尤其是潤滑不良時，會阻礙上下接觸面附近金屬流動，造成鍛坯表面與內(nèi)部變形不均勻，進而導(dǎo)致變形后樣品截面呈鼓形（圖12）。同時，變形溫度分布不均勻也會導(dǎo)致變形不均勻，溫度越高越容易變形。鍛造過程中，葉盆與葉背處于“變形死區(qū)”，變形量相比于中心區(qū)域較小。中心區(qū)域的變形量最大，出現(xiàn)流線，該區(qū)域在后續(xù)機械加工過程中，會一直保留，最終遺傳至成品鈦合金葉片之中。這就是鈦合金葉片葉身流線的形成機理。

葉片塑性變形后，亮線區(qū)域晶粒發(fā)生劇烈塑性變形，晶粒碎化，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量位錯纏結(jié)。劇烈變形區(qū)聚集大量位錯與經(jīng)歷破碎產(chǎn)生的晶界，能量較高且極不穩(wěn)定。在隨后的退火處理中，按照Burke與Turnbull的理論，劇烈變形區(qū)域提供大量界面能，此處優(yōu)先發(fā)生再結(jié)晶，新的晶粒沿著基體（小變形）的取向開始形核長大，因此在EBSD測試中，基體與亮線區(qū)織構(gòu)情況相近。通過TEM分析發(fā)現(xiàn)，退火后α與β晶粒中只含有極少量位錯，這也從另一方面證明再結(jié)晶已經(jīng)充分進行。

在退火過程中，再結(jié)晶區(qū)域新的晶粒形核長大的同時，基體晶粒也會發(fā)生一定程度的長大。但是相比于再結(jié)晶晶粒，基體晶粒尺寸相對較大，所以最終導(dǎo)致亮線區(qū)和基體晶粒尺寸的差異。

通過TEM分析，未發(fā)現(xiàn)微裂紋和難變形引起的孿晶，流線（亮線以及水紋線）區(qū)域精細組織與基體之間差異并不明顯，這從微觀上證明了流線與基體在組織上的均勻性。圖13為具有明顯取向性的晶體取向分布圖，圖14為具有明顯織構(gòu)的極圖，圖15為具有大量位錯纏結(jié)的TEM形貌圖。

圖13 具有明顯取向性的晶體取向分布圖

圖14 具有明顯織構(gòu)的極圖（80%變形量軋制后）

圖15 具有大量位錯纏結(jié)的TEM形貌

結(jié)論

⑴絕大多數(shù)情況表現(xiàn)為亮線區(qū)晶粒尺寸比本體細?。?/p>

⑵亮線區(qū)顯微硬度稍低于基體區(qū)，但總體差異并不明顯；亮線區(qū)化學(xué)成分與基體無明顯差異；

⑶亮線區(qū)晶粒不具有明顯織構(gòu)，亮線區(qū)與基體的晶粒取向并無明顯差異；

⑷亮線區(qū)與基體精細組織均為完全退火狀態(tài)；

⑸在鈦合金葉片鍛造過程中，模具與合金之間的摩擦?xí)购辖鹱冃尾痪鶆?，?dǎo)致合金鍛件中間出現(xiàn)一條劇烈變形帶，最終演化為葉片中的亮線。