TA12鈦合金加力筒體局部異常變色失效分析

劉博志，林中楠，韓振宇

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

加力筒體是航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室的重要組成部分，對(duì)增大發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)推力，提高戰(zhàn)斗機(jī)動(dòng)力和機(jī)動(dòng)性能都有重要作用。同時(shí)，加力筒體也是加力燃燒室的主要承力部件，前端連接主機(jī)，后端連接矢量噴管部件，作為矢量噴管的基礎(chǔ)承力部件配合安裝矢量噴管的主要作動(dòng)機(jī)構(gòu)，并承受其載荷；另外，作為發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)的輔助連接部件，提供與飛機(jī)的連接吊掛接口，并承受其安裝、機(jī)動(dòng)和噴管偏轉(zhuǎn)載荷[1]。某航空發(fā)動(dòng)機(jī)在試車過程中出現(xiàn)加力筒體局部異常變色現(xiàn)象，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。因此，對(duì)加力筒體變色部位的可靠性評(píng)估尤為重要。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)燃油溫度提高及推力矢量技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)加力筒體的耐溫能力、強(qiáng)度、剛性等性能的要求進(jìn)一步提高，其可靠性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)至關(guān)重要。Jeffery A L 等[2]研究了加力燃燒室在溫度過高和燃油自燃等條件下，加力筒體等相關(guān)構(gòu)件的耐久性和可靠性呈顯著下降的趨勢(shì)；孫雨超等[3]針對(duì)未來高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室的設(shè)計(jì)需求，優(yōu)化了加力筒體等構(gòu)件的設(shè)計(jì)方案，能夠較好地組織加力燃燒室內(nèi)部燃燒，綜合性能良好。目前，國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力筒體主要采用新型鈦合金TA12制成[4-5]，TA12是一種綜合性能良好的Ti-Al-Sn-Zr-Mo 近α 型熱強(qiáng)高溫鈦合金，由中國(guó)自行研制。利用TA12鈦合金板材制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力筒體、盤軸、葉片等零部件，均可在550 ℃下能長(zhǎng)期工作[6-7]。該合金具有良好的工藝塑性和超塑性，適用于各種壓力加工成型和各種方式的機(jī)械加工[8]。生產(chǎn)的半成品主要有板材、棒材和鍛件，也可用于鑄件生產(chǎn)[9]。任萍等[10]采用TA12A鈦合金板材制成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的加力筒體，具有輕量化和耐高溫性能的特點(diǎn)，從而進(jìn)一步提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。

為了分析故障加力筒體發(fā)生異常變色的原因，本文分別從加力筒體基體材質(zhì)的力學(xué)性能和組織形態(tài)出發(fā)，通過開展多種失效分析手段與模擬試驗(yàn)相結(jié)合的方法，明確了TA12 鈦合金板材在空冷狀態(tài)下加熱溫度與組織和性能的關(guān)系，綜合評(píng)估了故障加力筒體異常變色部位的基體性能，對(duì)其后續(xù)服役試車提出相應(yīng)的建議。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

故障加力筒體局部宏觀圖像如圖1 所示。從圖中可見，故障加力筒體外壁表面多處存在異常變色區(qū)域，其面積及分布無明顯規(guī)律，但顏色從中心到四周逐漸呈暗灰色、暗黃色、淡藍(lán)色、深藍(lán)色、深黃色的變化規(guī)律，個(gè)別異常變色區(qū)中心部位產(chǎn)生少量凸起塑性變形。

圖1 故障加力筒體局部（宏觀）

1.2 成分分析

利用尼通XL3t 980手持合金分析儀對(duì)故障加力筒體不同部位表面進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表1。其不同部位的主要合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與材料標(biāo)準(zhǔn)要求基本相符。

表1 故障加力筒體表面成分分析結(jié)果 wt/%

2 分析討論及模擬試驗(yàn)

2.1 失效性質(zhì)判斷

對(duì)故障加力筒體外壁表面的異常變色區(qū)進(jìn)行初步判斷認(rèn)為，在發(fā)動(dòng)機(jī)加力狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)試車過程中，由于加力燃燒室內(nèi)的溫度場(chǎng)不均勻，導(dǎo)致加力筒體在異常變色區(qū)發(fā)生超溫故障。分析結(jié)果表明：故障加力筒體超溫區(qū)與未超溫區(qū)的成分一致，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 加熱模擬試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.2.1 溫－色演變規(guī)律

故障加力筒體外壁表面存在異常變色區(qū)表明TA12鈦合金材料構(gòu)件在不同加熱條件下呈現(xiàn)不同的顏色變化。為進(jìn)一步判斷本次故障中加力筒體變色部位的具體超溫情況，參考試驗(yàn)試車數(shù)據(jù)開展溫-色演變規(guī)律試驗(yàn)研究，找出加熱條件與TA12 鈦合金構(gòu)件表面顏色變化的規(guī)律。并根據(jù)溫-色試驗(yàn)結(jié)果，判斷故障加力筒體外壁在試車試驗(yàn)過程中經(jīng)歷的最高溫度，及異常變色區(qū)的溫度分布情況。

加熱溫度和保溫時(shí)間是溫-色演變規(guī)律試驗(yàn)的2個(gè)主要影響因素。

（1）分析加熱溫度對(duì)TA12 鈦合金板材試樣表面顏色的影響。根據(jù)試車參數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)，該部分試驗(yàn)的加熱溫度選擇為300～1000 ℃，溫度間隔為50 ℃，保溫時(shí)間為10 min，冷卻方式為空冷。在不同溫度下試樣表面分別呈現(xiàn)不同顏色。在450 ℃以下試樣表面顏色幾乎未發(fā)生變化；當(dāng)加熱至500 ℃時(shí)試樣表面開始微微變黃；繼續(xù)加熱至550 ℃后變成深黃色；至600 ℃時(shí)變成黃紫色；至650 ℃時(shí)變成深紫色；至700 ℃時(shí)呈深藍(lán)色；至750 ℃時(shí)呈淡藍(lán)色；至800 ℃時(shí)呈粉色；至850 ℃時(shí)顏色重新轉(zhuǎn)變?yōu)榘迭S色；當(dāng)至900 ℃以上時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榘祷疑?。具體的溫-色演變規(guī)律如圖2所示。

（2）保溫時(shí)間對(duì)TA12 鈦合金板材表面顏色的影響。將保溫時(shí)間延長(zhǎng)至60 min，分別選擇450、550 和650 ℃3 個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表2。從表中可見，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣的表面顏色介于同溫度和稍高溫度（+50 ℃）短時(shí)加熱試樣的顏色之間；而且隨著加熱溫度的升高，保溫時(shí)間的長(zhǎng)、短對(duì)試樣顏色影響的差異越來越?。ㄒ?50 ℃為例）。

圖2 TA12鈦合金板材溫-色演變規(guī)律（保溫10 min）

表2 保溫時(shí)間對(duì)TA12鈦合金板材表面顏色的影響

2.2.2 變色部位溫度判斷

根據(jù)上述溫-色演變規(guī)律試驗(yàn)研究結(jié)果總結(jié)如下：加熱溫度是TA12 鈦合金板材表面顏色變化的主要影響因素；保溫時(shí)間對(duì)TA12 鈦合金板材表面顏色的影響程度小于加熱溫度的影響；隨著加熱溫度的升高，保溫時(shí)間對(duì)TA12 鈦合金板材表面顏色的影響效果越來越小。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)故障加力筒體尾端超溫變色部位經(jīng)歷的最高溫度范圍進(jìn)行判斷：超溫區(qū)中心位置的溫度可達(dá)850 ℃左右，四周的淡藍(lán)色區(qū)溫度約為750 ℃，深藍(lán)色區(qū)溫度約為700 ℃，未發(fā)生異常變色的深黃色區(qū)溫度約為450～550 ℃。具體的溫度區(qū)域判斷如圖3 所示?？梢姡收霞恿ν搀w異常變色部位已明顯超過TA12 鈦合金板材550 ℃以下的長(zhǎng)期允許使用溫度，故障加力筒體局部嚴(yán)重超溫。

2.2.3 力學(xué)性能測(cè)試與可靠性分析

圖3 故障加力筒體外壁表面溫度區(qū)域判斷

表3 溫－色試樣硬度測(cè)試結(jié)果（HMV）

圖4 硬度測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

為了對(duì)故障加力筒體能否繼續(xù)試車服役進(jìn)行量化判斷，需要測(cè)評(píng)故障部位的材料性能。對(duì)溫-色試驗(yàn)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)量結(jié)果見表3，統(tǒng)計(jì)如圖4所示。從表3 和圖4 中可見，在約800 ℃以下，隨著預(yù)加熱溫度升高，試樣硬度值不斷減小；在約800 ℃以上，隨著預(yù)加熱溫度的升高，試樣硬度值略微增大。

為判斷加力筒體超溫變色部位的強(qiáng)度，尤其在設(shè)計(jì)溫度（475 ℃）以下時(shí)，對(duì)溫-色試樣取樣分別進(jìn)行室溫（20 ℃）和475 ℃高溫下拉伸性能測(cè)試，測(cè)量結(jié)果見表4、5，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5、6所示。對(duì)比分析TA12鈦合金板材溫-色試樣在室溫和475 ℃條件下的強(qiáng)度、延伸率及斷面收縮率等測(cè)試結(jié)果可知：兩組試樣的室溫強(qiáng)度和高溫（475 ℃）強(qiáng)度均隨預(yù)加熱溫度的升高而緩慢降低，并且都在800 ℃左右時(shí)降至最低，之后隨著預(yù)加熱溫度的升高都呈提高趨勢(shì)。并且，對(duì)于TA12 鈦合金板材試樣，在經(jīng)過900 ℃以上的預(yù)加熱（空冷）處理后，其高溫（475 ℃）強(qiáng)度甚至大于原始狀態(tài)試樣的。在兩組拉伸試驗(yàn)中，各試樣的延伸率及斷面收縮率均未發(fā)生明顯變化，表明其塑性和韌性指標(biāo)無明顯改變。因此，TA12鈦合金板材溫-色試樣的力學(xué)性能隨著經(jīng)歷過的最高溫度的升高呈先降低后提高的趨勢(shì)。

表4 室溫拉伸性能測(cè)試結(jié)果

表5 475 ℃下拉伸性能測(cè)試結(jié)果

圖5 室溫拉伸性能測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖6 475 ℃下拉伸性能測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

針對(duì)故障加力筒體用TA12鈦合金板材試樣的硬度測(cè)試及不同溫度下的拉伸性能測(cè)試，通過統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出：TA12 鈦合金板材在經(jīng)歷過800 ℃左右的超溫后，材料性能降至最低；隨著經(jīng)歷過的最高溫度的升高，材料性能開始反彈上升。本次故障中加力筒體變色部位中心區(qū)域的超溫程度已經(jīng)達(dá)到800 ℃以上，并且出現(xiàn)少量的塑性變形，表明加力筒體局部的力學(xué)性能已經(jīng)顯著降低，該故障加力筒體不再適合繼續(xù)服役試車。

2.2.4 組織演變規(guī)律

為掌握TA12 鈦合金板材力學(xué)性能的變化規(guī)律，對(duì)不同試驗(yàn)參數(shù)的溫-色試樣進(jìn)行金相組織分析，其微觀形貌如圖7 所示。TA12 鈦合金板材基體為具有一定織構(gòu)方向的等軸組織，主要為等軸初生α相和β轉(zhuǎn)變組織[11-12]。隨著加熱溫度的升高，基體組織中β相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，在800 ℃時(shí)降至最低[13]。說明β相隨著加熱溫度的升高不斷轉(zhuǎn)變?yōu)棣?β相，α相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增多。而初生α相的數(shù)量及大小對(duì)合金的斷裂韌度影響極大，初生α相質(zhì)量分?jǐn)?shù)增多時(shí)斷裂韌度降低[14-15]，該現(xiàn)象與拉伸性能測(cè)試中溫-色試樣性能逐漸降低相對(duì)應(yīng)。而且，組織中球狀的ZrO2和SiO2起到釘扎作用[16]，隨著試樣溫度的升高，ZrO2與SiO2相應(yīng)減少，釘扎作用降低，導(dǎo)致強(qiáng)度也進(jìn)一步降低。當(dāng)加熱溫度升高到900 ℃時(shí)，α相開始轉(zhuǎn)變，初生α相質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，β轉(zhuǎn)變組織質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增加，與之相對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能開始提高[17-18]。經(jīng)過950 ℃加熱試樣組織已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)殡p態(tài)組織，同時(shí)力學(xué)性能明顯提高，甚至在高溫下的拉伸性能高于原始試樣的。該現(xiàn)象與雙態(tài)組織拉伸性能明顯高于等軸組織的規(guī)律一致[19]。

圖7 金相組織微觀形貌（500倍）

3 結(jié)論

（1）某航空發(fā)動(dòng)機(jī)TA12 鈦合金加力筒體異常變色區(qū)發(fā)生超溫故障，超溫區(qū)中心位置的溫度可達(dá)850 ℃左右；

（2）TA12鈦合金板材溫-色試樣經(jīng)加熱處理后強(qiáng)度及硬度均呈先降低再提高的趨勢(shì)，力學(xué)性能在800 ℃左右達(dá)到最低值；

（3）TA12 鈦合金板材溫-色試樣組織分析表明：隨著溫度的升高，基體組織中α相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高，導(dǎo)致力學(xué)性能降低；隨著加熱溫度的繼續(xù)升高，基體組織由等軸組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡p態(tài)組織，導(dǎo)致力學(xué)性能提高；

（4）故障加力筒體變色部位中心的超溫程度在800 ℃以上，加力筒體局部位置力學(xué)性能明顯降低，其可靠性無法保證。該加力筒體以不再適合繼續(xù)參與服役試車，建議后續(xù)對(duì)該零部件進(jìn)行更換，并定期對(duì)其外觀狀態(tài)進(jìn)行檢查。