發(fā)動機低壓渦輪導(dǎo)向葉片裂紋分析

卜嘉利 ， 高志坤 ， 韓振宇 ， 劉明坤 ， 牛建坤

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

低壓渦輪導(dǎo)向葉片是航空發(fā)動機中重要的熱端部件之一，低壓渦輪導(dǎo)向葉片需在高溫燃氣環(huán)境下工作，葉片表面承受較高燃氣熱沖擊，服役條件十分惡劣，其主要功能是將熱能轉(zhuǎn)化為動能[1-2]。隨著我國航空發(fā)動機整體性能水平的不斷提升，推重比及高燃效指標也隨之被提升，給低壓渦輪導(dǎo)向葉片服役時的可靠性及安全性帶來了巨大隱患。熱應(yīng)力、燃氣腐蝕及高溫工況環(huán)境下葉片基體組織發(fā)生損傷，導(dǎo)致力學性能下降是引發(fā)低壓渦輪導(dǎo)向葉片失效的主要原因[3-4]。一旦低壓渦輪導(dǎo)向葉片發(fā)生失效，將會嚴重影響發(fā)動機使用性能及安全性能；因此，對低壓渦輪導(dǎo)向葉片開展失效行為研究意義重大。目前，多數(shù)低壓渦輪導(dǎo)向葉片結(jié)構(gòu)被設(shè)計成多聯(lián)氣冷結(jié)構(gòu)，多聯(lián)冷卻結(jié)構(gòu)渦輪導(dǎo)向葉片不僅可減少葉片緣板間的漏氣損失，提高渦輪工作效率，還能減少葉片的工藝環(huán)節(jié)，進而提高可靠性[5]。

現(xiàn)服役低壓渦輪導(dǎo)向葉片材料以K417G 高溫合金為主，該合金可在950 ℃以下長期工作，熔化溫度范圍達到1281～1327 ℃，又因其密度小、強度高、組織穩(wěn)定、鑄造性能好等眾多優(yōu)點，在航空發(fā)動機熱端部件上應(yīng)用較廣[6-8]。國內(nèi)外針對高溫合金葉片超溫判定問題，多數(shù)根據(jù)不同溫度條件下熱模擬試驗后的高溫合金組織演變規(guī)律進行判斷[9-11]。

發(fā)動機分解檢查后發(fā)現(xiàn)，第20 組低壓渦輪導(dǎo)向葉片組件葉身前緣部位表面有基體缺失燒蝕現(xiàn)象，并伴有裂紋生成。為探明葉片故障原因，對故障葉片進行外觀檢查、斷口宏微觀分析、材質(zhì)分析、氣膜孔檢查、熱模擬試驗及力學性能試驗，確定該故障葉片的裂紋性質(zhì)，分析葉片產(chǎn)生疲勞裂紋和基體燒蝕的原因，并對葉片工作時經(jīng)歷的最高溫度進行判斷，為防止此類故障的再次發(fā)生提供借鑒。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

故障低壓渦輪導(dǎo)向葉片宏觀圖像見圖1，葉片表面存在較嚴重的高溫氧化變色現(xiàn)象，葉片前緣熱障涂層脫落部位基體發(fā)生燒蝕，并伴有裂紋生成。裂紋沿葉片厚度方向裂透，裂紋在葉盆側(cè)的長度約為16 mm，在葉背側(cè)的長度約為8 mm。

1.2 斷口分析

將葉片前緣燒蝕部位裂紋打開，斷口磨損較嚴重，斷面起伏較大，表面氧化嚴重，呈灰黑色，大部分區(qū)域都無法觀察到斷裂形貌特征（圖2）。斷口可見放射棱線和疲勞弧線特征，表明該斷口的性質(zhì)為疲勞，根據(jù)放射棱線匯聚方向判斷，疲勞起源于葉片葉盆側(cè)表面區(qū)域，呈多源線性特征（圖3）。

在Sigma500 電子掃描電鏡下對斷口進行微觀觀察，結(jié)果見圖4。可見熱障涂層有開裂現(xiàn)象，裂紋從涂層外表面向基體方向擴展。根據(jù)放射棱線收斂方向判斷，疲勞起源于葉片葉盆側(cè)涂層與基體結(jié)合處（圖4a），擴展區(qū)可見高溫氧化顆粒和疲勞條帶特征（圖4b）。

圖1 故障葉片宏觀圖像Fig.1 Macro image of failed blade

圖2 斷口宏觀圖像Fig.2 Macro image of fracture

圖3 斷口源區(qū)宏觀圖像Fig.3 Macro image of fracture source region

圖4 斷口微觀形貌Fig.4 Microscopic image of fracture

1.3 氣膜孔檢查

為明確葉片前緣發(fā)生燒蝕是否與氣膜孔堵塞有關(guān)，對葉片燒蝕部位附近氣膜孔進行解剖檢查，氣膜孔線切割位置如圖5 所示。氣膜孔解剖后微觀形貌見圖6，氣膜孔均未見堵塞現(xiàn)象。

圖5 氣膜孔線切割位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of wire cutting position of gas film holes

圖6 葉片氣膜孔微觀圖像Fig.6 Micro image of blade gas film holes

1.4 成分檢查

利用OXFORD X-Max 能譜分析儀對葉片基體進行能譜分析，主要合金元素含量與K417G 材料檢驗標準基本相符。

1.5 組織檢查

沿葉片弦向前緣燒蝕部位附近基體取樣后，經(jīng)金相制備、研磨、拋光、清洗、腐蝕后，采用Sigma500 掃描電鏡對葉片基體組織及碳化物進行檢查。腐蝕液為HCl（100 mL）+H2SO4（5 mL）+H2O（80 mL）+CuSO4（20 g），腐蝕時間為30 s。葉片金相組織見圖7，可見葉片組織有明顯的超溫現(xiàn)象，γ′相相互連通形成通道，晶界處可見明顯的MC 型塊狀碳化物。

1.6 熱模擬試驗

圖7 葉片組織及碳化物微觀圖像Fig.7 Microstructure and carbide of blade

K417G 高溫合金長期許用溫度在950 ℃以下，為研究其組織隨溫度的變化規(guī)律，選取900、950、980、1000、1050、1100、1150、1200、1250、1275、1300 ℃，共11 個溫度點進行熱模擬試驗，保溫時間為2 h。

為了確保試樣初始組織狀態(tài)與葉片故障部位初始組織的一致性，在沒有工作過的低壓渦輪一導(dǎo)葉片新件前緣部位取樣。低壓渦輪一導(dǎo)葉片取樣位置如圖8 所示，沿紅色虛線進行切割，共取13 個試樣，每個試樣長度為20.5 mm，寬度為3.5 mm。

圖8 葉片取樣位置示意圖Fig.8 Schematic diagram of blade sampling position

熱模擬試驗組織演變圖譜見圖9。室溫至950 ℃，葉片組織由γ 基體和γ′相組成，γ′相呈細小立方塊狀均勻地分布在γ 基體上，并相互連接成網(wǎng)格狀；980～1200 ℃，葉片組織主要呈現(xiàn)為γ′相連通長大特征，其中，在1150～1200 ℃時γ′相發(fā)生回溶，在γ′相上析出二次γ′相；1250～1300 ℃，葉片組織主要呈現(xiàn)為γ′相完全回融，析出二次γ'相特征。

圖9 熱模擬組織演變圖譜Fig.9 Metallographic structure evolution by thermal simulation

熱模擬試驗碳化物演變圖譜見圖10。室溫至1200 ℃，發(fā)現(xiàn)在晶界處的共晶相中有MC 型碳化物；當葉片溫度達到1250 ℃后，共晶相中的MC 型碳化物開始分解，M23C6型碳化物析出，并有裂紋生成。

1.7 硬度試驗

采用V1774 全自動維氏硬度儀，在載荷為100 g、加載時間為10 s 的試驗條件下，對完成熱模擬試驗后的各試樣進行顯微硬度測試，隨著溫度的升高，平均硬度值呈遞增趨勢（圖11）。

2 分析與討論

故障低壓渦輪葉片裂紋斷口均可見疲勞弧線和放射棱線特征，擴展區(qū)可見疲勞條帶特征，表明斷口的性質(zhì)為疲勞，源區(qū)未見明顯冶金缺陷[12-14]。葉片組織檢查結(jié)果表明，葉片組織γ′相相互連通形成通道，有超溫現(xiàn)象。葉片組織超溫會降低基體的抗疲勞性能，易萌生疲勞裂紋[15-16]。葉片氣膜孔檢查結(jié)果表明，低壓渦輪葉片截面氣膜孔沒有發(fā)生堵塞，說明葉片在工作過程中氣膜孔沒發(fā)生顆粒堆積，葉片沒有喪失氣膜冷卻功能。氣膜孔將冷卻介質(zhì)以橫向射流的形式注入到主流中，在主流的壓力和摩擦力的共同作用下，覆蓋于高溫部件表面，形成冷氣膜，從而對葉片起到隔熱與冷卻作用[17-18]。

圖10 碳化物演變圖譜Fig.10 Carbon evolution

圖11 不同溫度條件下試樣基體的平均硬度值Fig.11 Average hardness values of specimens at different temperatures

葉片組織熱模擬試驗結(jié)果表明，葉片基體組織形貌和碳化物類型隨著溫度的升高均發(fā)生明顯的變化。在1250～1300 ℃，葉片組織主要呈現(xiàn)為γ′相完全回融，析出二次γ′相特征。通過熱模擬試驗組織演變圖譜與故障葉片組織對比可知，故障葉片工作時經(jīng)歷的最高溫度范圍為1150～1200 ℃。另外，故障葉片晶界MC 碳化物沒有分解，根據(jù)熱模擬葉片基體碳化物演變圖譜可知，葉片溫度達到1250 ℃后，共晶相中的MC 型碳化物開始分解，M23C6型碳化物析出，并伴有裂紋生成，進一步佐證故障葉片工作時經(jīng)歷的最高溫度沒有超過1250 ℃。

熱模擬葉片硬度測試結(jié)果表明，隨著溫度的升高，葉片基體硬度值呈遞增趨勢。K417G 高溫合金Cr、Mo 等γ 相強化元素富集在枝晶干中，Al、Ti 等γ′相形成元素富集在枝晶間。熱模擬試驗實際相當于對K417G 高溫合金進行固溶強化熱處理，在熱處理過程中，枝晶間富集的元素向枝晶干擴展速率快，隨著溫度不斷升高，枝晶間的溶質(zhì)原子逐漸發(fā)生溶解，擴散到枝晶干的基體內(nèi)，對合金硬度起到增益作用。特別是在1250～1300 ℃時進行高溫固溶處理，使γ/γ′共晶相與粗大的γ′相完全溶入γ 基中，從飽和的γ 基中析出大量細小二次γ′相粒子，進一步提高合金硬度值。葉片基體硬度值偏高會降低其塑性與抗沖擊韌性，對疲勞裂紋的萌生起促進作用。

綜上所述，低壓渦輪導(dǎo)向葉片在工作工程中，超溫造成葉片基體組織損傷與硬度值升高，從而降低葉片抗疲勞性能，最終導(dǎo)致葉片發(fā)生燒蝕并伴有疲勞裂紋萌生。

3 結(jié)論

1）發(fā)動機低壓渦輪導(dǎo)向葉片裂紋性質(zhì)為疲勞開裂，裂紋起源于葉片葉盆側(cè)涂層與基體結(jié)合處，源區(qū)未見明顯冶金缺陷。

2）葉片前緣燒蝕現(xiàn)象與葉片組織超溫有關(guān)，經(jīng)過熱模擬試驗分析后判斷，該葉片工作時經(jīng)歷最高溫度在1150～1200 ℃之間。

3）隨著溫度的升高，葉片基體硬度值呈遞增趨勢。

4）葉片經(jīng)歷超溫使其基體的抗疲勞性能下降，同時發(fā)動機工作過程中存在振動，促進疲勞裂紋的萌生。