動力渦輪工作葉片與導向葉片振動疲勞性能差異分析

薛志博，楊金俠，由寶財

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015；2.中國科學院金屬研究所，沈陽110016）

0 引言

渦輪葉片是航空發(fā)動機及燃氣輪機的關鍵部件，其性能直接影響發(fā)動機性能和可靠性[1]。發(fā)動機渦輪葉片在工作過程中除承載著轉動產生的離心力、氣動產生的彎矩和軸向力以及溫度差產生的熱應力外，還承載因強迫振動或自激振動引起的共振載荷[2-4]，在工作中所產生的振動疲勞失效是葉片主要失效形式之一，因此，對渦輪葉片振動疲勞壽命進行研究對保證發(fā)動機正常穩(wěn)定工作具有重要意義。

在國內外針對渦輪葉片振動疲勞性能開展了相關研究。葉能永等[5]通過模擬分析某型高溫合金葉片在振動疲勞試驗過程中的動力學應力響應，獲得葉片在共振時應力幅值隨時間改變的變化規(guī)律，分析了殘余應力和粗糙度對葉片振動疲勞壽命和疲勞極限的影響；張東明等[6]采用電感應加熱法加熱和電磁振動臺施加振動載荷等方式，提出了航空發(fā)動機渦輪葉片高溫振動疲勞試驗方法；Massimo 等[7]通過對渦輪葉片振動疲勞影響因素的研究，提出了可用于預測葉片疲勞壽命的有限元模型。

為研究某型航改燃氣輪機動力渦輪葉片振動疲勞性能，評估葉片制造工藝，對動力渦輪工作葉片和導向葉片進行振動疲勞試驗，采用升降法測試葉片疲勞極限，并開展了葉片冶金分析等試驗研究工作，分析和探討了冶金質量等對葉片疲勞性能的影響。

1 葉片振動疲勞試驗

工作葉片和導向葉片材料均為K438 高溫合金。K438 合金是鎳基沉淀硬化型高溫合金，其成分、性能與國外的IN738 合金相當[8]。該合金具有良好的組織穩(wěn)定性、高溫強度及抗腐蝕性，廣泛用于艦船、工業(yè)地面及燃氣輪機的長壽命渦輪葉片[9-12]。為進一步提高葉片抗腐蝕能力，工作葉片表面噴涂SKHC-9 涂層，導向葉片表面滲鋁硅。

利用升降法測試葉片疲勞極限，具體試驗方法為：采用專用工裝對葉片一端施加頂緊力和夾持力，通過檢測應變得到葉片最大應力點，并標定最大點應力與葉尖振幅的關系，最終通過檢測葉尖振幅控制應力。試驗結果顯示，工作葉片疲勞極限約為250 MPa；導向葉片疲勞最低僅為90 MPa。動力渦輪工作葉片與導向葉片振動疲勞性能差異較大，導向葉片疲勞極限較低。

2 葉片檢查與分析結果

2.1 表面狀態(tài)檢查

對葉片進行熒光檢查，葉身部位除疲勞試驗產生的裂紋外未發(fā)現超標缺陷，而裂紋多產生于進排氣邊且靠近“葉根”位置，如圖1 所示。

圖1 葉片裂紋熒光顯示

對葉片表面進行腐蝕，檢查葉片晶粒度。工作葉片葉身經細晶處理，葉身表面晶粒細小均勻，晶粒度小于1 級；葉身中部（澆口處）、葉冠和榫頭處晶粒較粗大，晶粒度為5 級。導向葉片表面未經細晶處理，晶粒明顯粗大，晶粒度為5 級或5 級以上。此外，工作葉片和導向葉片葉身進排氣邊均存在橫向的柱狀晶區(qū)，如圖2 所示。

圖2 葉片表面晶粒度分布

2.2 內部冶金質量檢查

對葉片進行X 光檢查，未探測出超標缺陷，在工作葉片和導向葉片內部缺陷等級上無明顯差別。解剖葉片檢查發(fā)現葉片葉身不同截面顯微疏松，工作葉片和導向葉片葉身的顯微疏松分布與含量無明顯差別，為1～2 級，局部較重部位為3～4 級，均符合標準要求，如圖3 所示。檢查葉片不同截面晶粒度，內部晶粒都在5 級左右，如圖4 所示。

圖3 葉片顯微疏松分布

圖4 葉身內部晶粒度

2.3 斷口分析

選取部分工作葉片和導向葉片，沿裂紋將斷口打開，工作葉片和導向葉片斷口形貌特征相近，斷口較平坦，呈銀白色，隱約可見疲勞弧線及放射棱線形貌，表明斷口為疲勞斷口。根據疲勞弧線的方向判斷，疲勞起源于葉片前緣表面和次表面區(qū)域，位置如圖5（a）、（b）中標記區(qū)域所示，裂紋放大形貌如圖5（c）、（d）所示。細密的疲勞條帶可以進一步表明該斷口的疲勞屬性。此外，工作葉片和導向葉片裂紋微觀形貌均可見顯微疏松缺陷，如圖6 所示。

圖5 葉片裂紋斷口整體形貌

圖6 葉片裂紋斷口疏松分布

2.4 組織分析

在工作葉片葉根取樣進行組織分析，葉根組織如圖7 所示。從圖中可見，組織中枝晶間和枝晶干區(qū)域γ′相細小均勻，碳化物彌散分布在晶界、枝晶間區(qū)，未觀察到TCP 相。

圖7 工作葉片葉根組織結構

在導向葉片葉身中部取樣進行組織分析，組織結構如圖8 所示。從圖中可見，組織中枝晶干區(qū)域γ′相細小均勻，枝晶間γ′相粗大，碳化物彌散分布在晶界、枝晶間區(qū)。在局部區(qū)域觀察到針狀TCP 相。

圖8 導向葉片葉身中部組織結構

2.5 葉身取樣疲勞性能測試

分別沿工作葉片和導向葉片葉身縱向切取力學性能試樣，進行常溫下高周拉-拉疲勞試驗，試樣尺寸如圖9 所示。試驗方法按GB/T 3075-2008 標準，應力比為0.1，試驗結果見表1。從表中可見，在同一應力狀態(tài)下，工作葉片循環(huán)周次明顯高于導向葉片的。

圖9 高周疲勞試樣

表1 高周疲勞性能

3 分析與討論

由斷口分析可知，葉片裂紋斷口平坦光滑，可見疲勞弧線及放射棱線，表明葉片裂紋的性質為高周疲勞裂紋。鑒于工況環(huán)境惡劣、溫度高、交變載荷大、要求使用壽命長的原因，渦輪葉片成為對疲勞性能要求最高的零件之一[13]。通常零件疲勞強度受很多因素影響，如零件表面狀態(tài)、內部冶金質量、材料本身的組織結構等，在制造過程中葉片的材質、冶金加工工藝、加工殘余應力、加工使用環(huán)境等因素變化均會影響零件疲勞性能[14]。

通過對工作葉片和導向葉片進行表面狀態(tài)檢查、內部冶金質量檢查、斷口分析、組織分析和對比可知，二者間在表面缺陷、內部缺陷、顯微疏松等方面不存在明顯差異，主要差異為：

（1）工作葉片表面噴涂SKHC-9 涂層，導向葉片滲鋁硅；

（2）工作葉片表面晶粒度更細；

（3）導向葉片枝晶間γ′相粗大，在局部區(qū)域存在針狀TCP 相。

在滲鋁硅過程中葉片表面形成的鋁化物涂層硬度較高，脆性大，承受交變應力作用的能力較差，影響葉片的疲勞強度。研究表明，隨滲鋁次數的增加，葉片的疲勞強度呈降低趨勢，但1 次滲鋁對疲勞性能影響較小，疲勞強度只降低1%左右[4]，本文分析是對導向葉片采用1 次滲鋁硅，其對葉片疲勞性能的影響較小。

高溫合金渦輪葉片通常晶粒比較粗大，以保證材料在高溫下具有良好的抗蠕變性能，但晶粒粗大會導致疲勞性能降低。為此，在具有粗大晶粒的零件表面形成1 薄層細小晶粒組織，有助于提高葉片抗疲勞性能。工作葉片由于采用表面細晶熔模鑄造工藝，葉片表面晶粒經過細化，在一定程度上提高了葉片的抗疲勞性能[15-17]。

在原材料熔煉過程中加入返回料會對組織造成影響，引起組織粗大和TCP 相的析出，進而影響材料的力學性能[18-24]。本文分析所使用葉片均為新生產葉片，未經過長期時效處理過程。在葉片實際生產過程中，工作葉片未使用返回料。為降低成本，導向葉片使用了一定比例的返回料，是導致γ′相粗大和TCP 相析出的主要原因。

葉身取樣力學性能測試結果顯示，工作葉片疲勞性能優(yōu)于導向葉片的，力學性能試樣不受葉片表面細晶和滲鋁硅影響，因此，組織上的差異是工作葉片和導向葉片力學性能試樣疲勞性能差異的主要原因。而在葉片制造過程中鑄造工藝流程長，受原材料質量、陶瓷型芯制造、模殼質量、澆鑄方式等因素影響，容易造成疏松、夾雜、偏析等缺陷，另外在機械加工過程中的表面完整性，也會導致成品質量一致性相對較差，疲勞強度分散[25]。

4 結論

（1）工作葉片和導向葉片裂紋均為靠近“葉根”進排氣邊處的疲勞裂紋；

（2）工作葉片和導向葉片表面和內部缺陷均滿足標準要求，內部晶粒度和顯微疏松等級相當；

（3）細化葉片表面晶粒，可以一定程度地提高葉片的抗疲勞性能；

（4）導向葉片葉身表面晶粒較粗、枝晶間γ'相粗化及局部區(qū)域存在TCP 相，上述差異是工作葉片和導向葉片力學性能試驗疲勞性能差異的主要原因。