基于顯微組織演變的渦輪葉片損傷分析

高志坤，王 威，李艷明，卜嘉利，劉 歡，遲慶新

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

渦輪葉片是航空發(fā)動機和燃氣輪機最重要的熱端部件，長期在不均勻的溫度場、應(yīng)力場及高溫氧化、熱腐蝕等復雜環(huán)境下工作，面臨長期蠕變、疲勞及高溫氧化、熱腐蝕等多種損傷失效風險。葉片在實際使用過程中受到高溫氣流的腐蝕、外物沉積及高壓載荷，也會產(chǎn)生燒蝕、裂紋等損傷。渦輪葉片的損傷嚴重影響著飛行安全以及運營成本。對渦輪葉片進行損傷分析已受到越來越多相關(guān)單位重視，并逐漸得到廣泛的應(yīng)用。

國外針對航空發(fā)動機和燃氣輪機渦輪葉片的損傷進行了大量研究，所研究的渦輪葉片主要為服役環(huán)境最為苛刻的高壓渦輪葉片。Pal 等針對René N5渦輪葉片的研究表明，葉片服役過程中組織演變極為復雜，如拓撲密堆（Topologi-Cally close-Packed，TCP）相僅在葉身部位的特定區(qū)域形成，此外，合金成分、高溫氧化和試驗條件均會對薄壁效應(yīng)產(chǎn)生影響；Brun?ner 等對M247LC 合金蠕變性能的研究表明，蠕變過程中樣品表面的氧化會降低合金的蠕變性能，且氧化的影響會隨著樣品壁厚變薄而變得更為嚴重；Wood對服役后渦輪葉片的恢復熱處理工藝開展了探索，并取得較好的效果。目前，中國對渦輪葉片服役損傷模式與機理研究不夠深入，在失效分析過程中暴露出材料、工藝工程化和驗證過程零部件顯微組織演化規(guī)律和機理掌握不充分，缺少對葉片剩余性能測試、表征手段以及基于顯微組織損傷的有限元模擬分析技術(shù)。隨著工程化水平、仿真分析技術(shù)的提高和使用驗證的充分開展，渦輪葉片顯微組織演化規(guī)律和機理研究更加迫切，成為渦輪葉片壽命計算和評價的主要限制因素。

本文通過顯微組織和必要的斷裂特征分析，介紹渦輪葉片服役損傷模式，結(jié)合具體研究工作，闡述服役過程中渦輪葉片的損傷機理，并由此提出后期渦輪葉片工程化應(yīng)開展的研究工作和注意問題。

1 涂層退化損傷

渦輪葉片表面的防護涂層主要有擴散型鋁化物涂層、MCrAlY 包覆涂層和熱障涂層3 類。擴散型鋁化物涂層的質(zhì)量主要取決于滲鋁工藝參數(shù)，包括滲鋁溫度、活度以及前、后熱處理制度等。常見制備方法包括氣相、包埋、料漿、熱浸鍍鋁以及化學氣相沉積法滲鋁等。與其他方法比較，低鋁活度化學氣相沉積法盡量避免了富鋁脆性相生成，同時在制件表面質(zhì)量和厚度控制方面具有優(yōu)勢。鉑改性鋁化物涂層（鉑鋁涂層）具有更為優(yōu)異的抗熱腐蝕和高溫氧化性能而備受矚目，一方面鉑的加入可促進α-AlO生成、提高氧化膜結(jié)合強度、促進Al 擴散；另一方面可有效降低難熔元素在涂層中的擴散系數(shù)。某單晶高壓渦輪工作葉片在試車后分解發(fā)現(xiàn)葉尖掉塊故障（如圖1所示），該葉片底層即采用電鍍Pt、包埋滲Al 工藝。由于包埋法導致的鋁活度過高，致使葉片滲層組織由理想的單相β-（Ni/ Pt）Al 變成β-（Ni/Pt）Al+PtAl雙相組織，如圖2 所示。圖中白亮色為PtAl相，灰色為β-（Ni/Pt）Al 相。由于PtAl相較脆，在熱應(yīng)力作用下滲層與擴散層界面易萌生微裂紋，在發(fā)動機工作時振動應(yīng)力作用下進一步擴展導致疲勞掉塊。目前常見的鉑鋁滲層大多以單相β-（Ni/Pt）Al 為主，主要采用化學氣相沉積或氣相法，其研究與應(yīng)用也比較成熟。建議將故障渦輪葉片的滲鋁工藝由包埋法調(diào)整為氣相或化學氣相沉積法，合理控制鋁活度，獲得理想的滲層組織。

圖1 某故障單晶高壓渦輪工作葉片宏觀形貌

圖2 葉片滲層組織形貌

典型MCrAlY 包覆涂層由M（M 指代Fe、Ni、Co 或Ni+Co）加上適量的Cr、Al 和Y 組成。其制備方法靈活多樣，可以通過物理、化學以及噴涂法，較鋁化物涂層具有明顯優(yōu)勢：MCrAlY 包覆涂層不依賴于葉片基體合金，而鋁化物涂層一般在基體合金上通過“生長”的方式形成。MCrAlY 包覆涂層的基體合金不參與涂層的形成過程，因此可獨立地沉積到不同類型基體合金上。其在高溫防護涂層領(lǐng)域廣泛應(yīng)用始于20 世紀70 年代，其組元作用：Al 元素抗氧化，Cr 元素促進α-AlO生成，而微量元素Y 的添加具有對氧化膜抗剝落性能。除Y 外，還可以在MCrAlY 涂層中加入Zr、Hf、Ta、Si、B和Re等實現(xiàn)微量元素改性效應(yīng)。由于涂層成分和微量元素可以在很大范圍內(nèi)調(diào)控，因此不同研究機構(gòu)分別申請并擁有了大量關(guān)于MCrAlY涂層的專利。

葉片熱障涂層系統(tǒng)由外層熱障涂層（Thermal Barrier Coating，TBC）和粘結(jié)層（MCrAlY 包覆）組成。粘結(jié)層原始組織主要為γ/γ′相兩相組織，其中彌散分布有少量α-Cr相。外場服役至報廢的定向高壓渦輪葉片損傷形貌如圖3 所示。表現(xiàn)為前緣中截面出現(xiàn)空洞和葉尖刮磨缺失，這也是外場發(fā)動機高壓渦輪葉片報廢的主要模式。在服役過程中，在溫度和應(yīng)力作用下，粘結(jié)層Ni、Al和Cr元素會向外和向內(nèi)擴散。元素向內(nèi)擴散使得涂層中的相隨之變化，α-Cr 相逐漸消失，逐步轉(zhuǎn)化為γ′相，Al元素繼續(xù)擴散，γ′相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相，Al 元素質(zhì)量分數(shù)降低到一定程度時，粘結(jié)層的抗高溫氧化性大大降低，致使涂層失去保護基體作用；元素向外擴散時會與氧氣反應(yīng)，生成氧化膜（熱生長氧化層，Thermally Grown Oxide，TGO），主要由α-AlO組成。隨著葉片服役時間增加，TGO 層厚度增加、致密性降低，產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力；此外，在服役和停車等狀態(tài)下劇烈的溫度變化使得TBC 層與基體合金之間熱膨脹失配，在TGO 層形成很大的殘余應(yīng)力。上述損傷導致葉片陶瓷層剝落和粘結(jié)層失效，使葉片基體合金直接暴露于高溫環(huán)境下，大大縮短了葉片的使用壽命。

圖3 外場服役定向凝固高壓渦輪工作葉片損傷形貌

2 原始缺陷導致的裂紋

試車后分解熒光檢查發(fā)現(xiàn)的某單晶低壓渦輪葉片葉背尾緣線性顯示形貌如圖4（a）所示。斷口呈氧化和撕裂特征（如圖4（b）所示），組織可觀察到近表層脫落分離特征、脫落于涂層面層與擴散層交界處，且在該界面可見1 條斷續(xù)分布的黑線特征（如圖4（c）、（d）所示），能譜分析含有大量的O 元素和Al 元素，說明該低渦葉片存在涂層界面缺陷；葉片涂層厚度范圍與斷口深度接近。綜合以上特點分析認為低渦葉片裂紋性質(zhì)為涂層開裂。原因主要與涂層面層與擴散層界面存在原始缺陷，致使界面結(jié)合狀態(tài)不良有關(guān)。

圖4 某單晶低壓渦輪葉片涂層損傷形貌

試車后分解熒光檢查發(fā)現(xiàn)某單晶低壓渦輪葉片葉身裂紋如圖5 所示。經(jīng)裂紋斷口和組織分析表明，故障葉片疲勞裂紋的產(chǎn)生與葉片內(nèi)腔局部區(qū)域存在再結(jié)晶有直接關(guān)系。模擬試驗表明，故障葉片內(nèi)腔表面的再結(jié)晶晶粒主要由2 種方式產(chǎn)生：（1）葉片在固溶熱處理前再結(jié)晶處存在加工（如噴丸、打磨、拋光、校形等工藝）變形；（2）再結(jié)晶處存在較大的鑄造殘余應(yīng)力。觀察故障葉片再結(jié)晶附近的表面形貌可知，再結(jié)晶處僅為原始的鑄造表面，未見噴丸、打磨、拋光、校形等特征及機械加工痕跡，可以排除葉片在固溶熱處理前再結(jié)晶處存在加工變形的情況。綜合上述分析，該故障葉片出現(xiàn)再結(jié)晶的惟一途徑為葉片固溶熱處理前再結(jié)晶組織處存在較大的鑄造殘余應(yīng)力，一般通過調(diào)整鑄造冷卻速度和優(yōu)化轉(zhuǎn)角處結(jié)構(gòu)來降低。

圖5 某單晶低壓渦輪葉片葉身裂紋

展弦比大、型面薄、葉身細長的低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的剛性較弱，在服役時常受到發(fā)動機壽命和正常運轉(zhuǎn)的振動應(yīng)力影響。為了減小局部應(yīng)力，有多種減小振動的方法，但帶冠設(shè)計是目前最常用有效的結(jié)構(gòu)。設(shè)計帶鋸齒冠的葉片，并設(shè)計預扭、裝配后，相鄰葉冠嚙合面間產(chǎn)生預扭緊度（擠壓作用力），整環(huán)葉冠形成剛性的連鎖環(huán)狀，葉片級的整體剛性增強，提高了抵抗振動的能力。在工作時，利用嚙合面（通常采用手工堆焊耐磨層CoCrW 或CoCrMo 合金）磨擦阻尼實現(xiàn)減振。目前，試車后耐磨層偶發(fā)熒光線性顯示、掉角和磨損故障。經(jīng)解剖分析證實線性顯示主要為耐磨層原始未焊合缺陷，大多數(shù)缺陷尺寸、開口較小，加上表面涂覆MCrAlY 涂層、葉片在反復裝配及試車等條件下缺陷開口增大，致使分解后熒光檢查發(fā)現(xiàn)線性顯示，如圖6（a）、（b）所示；該類型未焊合缺陷在多型號發(fā)動機試車分解后解剖檢查暴露過，說明該焊接缺陷有一定共性問題，在現(xiàn)有氬弧堆焊Co-Cr-W 或Co-Cr-Mo 耐磨涂層工藝中容易產(chǎn)生，且存在在后續(xù)檢測工藝中未被檢出的可能，建議承制廠針對不同母材的低壓渦輪工作葉片葉冠耐磨層焊接工藝進行系統(tǒng)研究，提高焊接質(zhì)量，完善葉片工藝路線，提高缺陷檢出率。掉角模式主要與耐磨層原始焊接缺陷以及尺寸超差引發(fā)碰摩有關(guān)，如圖6（c）所示。此外，由于Co-Cr-W 耐磨層硬度（HV≈430）較Co-Cr-Mo 的（HV≈750）低，致使耐磨性存在明顯差異，導致試車后常出現(xiàn)嚴重磨損現(xiàn)象，如圖6（d）所示。

圖6 某低壓渦輪葉片葉冠損傷形貌

3 γ′相的退化

γ′相是鎳基高溫合金渦輪葉片基體組織的重要強化相，其尺寸、形貌與轉(zhuǎn)變等是葉片服役環(huán)境與載荷等最直觀的體現(xiàn)。在服役過程中，γ′相會發(fā)生長大、聚集粗化、回溶、二次析出與筏排化等不同形式的轉(zhuǎn)變，微觀組織的退化程度直接影響其性能損傷程度，各類組織均與合金的性能有不同程度的對應(yīng)關(guān)系。高溫時應(yīng)力會加速γ′體積分數(shù)降低；γ′相筏形完善程度主要受應(yīng)力的影響，提高溫度會使γ′相在更低應(yīng)力下產(chǎn)生并形成完善的筏形組織。在渦輪葉片服役過程中，除了受到高溫作用，還會受到離心載荷、氣動載荷和振動載荷引起的的應(yīng)力作用。其中，由葉片自身高速旋轉(zhuǎn)帶來的軸向離心應(yīng)力是葉片最主要應(yīng)力之一，其對組織和性能的影響顯著，因此在葉片實際服役過程中的作用應(yīng)為熱力耦合的共同作用。

對不同服役時間葉片各截面各部位顯微組織的觀察和定量分析（如圖7 所示）中可見，葉身中部進氣邊由于溫度較高且承受一定的應(yīng)力，是損傷最嚴重部位。枝晶干γ’相發(fā)生溶解、連接、粗化等退化現(xiàn)象，除體積分數(shù)降低外還可觀察到γ′相的筏化；葉尖排氣邊是溫度次高的位置，但由于應(yīng)力較低，是組織損傷第2 嚴重的區(qū)域，顯微組織的損傷主要以γ′相的溶解、連接、粗化為主，表現(xiàn)為γ′相體積分數(shù)的降低，但基本看不到γ′相的筏化現(xiàn)象；此外葉尖截面的葉盆也是容易發(fā)生組織損傷的部位，是損傷第3 嚴重的區(qū)域，由于葉片瞬時超溫導致的顯微組織退化，并表現(xiàn)出γ′相筏化。

圖7 高壓渦輪工作葉片組織與γ’相體積分數(shù)

4 結(jié)束語

本文通過對服役渦輪葉片顯微組織演化和必要的斷裂特征分析，初步闡明了葉片服役損傷模式主要有涂層系統(tǒng)的退化、原始缺陷導致的裂紋擴展以及γ′相的退化等。渦輪葉片基體材料（相當于1 元系統(tǒng)）的服役環(huán)境復雜、大多還存在多種損傷模式并存，與結(jié)構(gòu)、服役狀態(tài)密切相關(guān)，甚至與葉片所用合金有關(guān)，都將影響渦輪葉片的損傷機理研究和剩余壽命的預測。此外，渦輪葉片表面大多采用涂層、滲層進行防護，相當于2元、3元甚至4元、5元復雜系統(tǒng)（基體+互擴散層+涂層或滲層+TGO 層+TBC 層），各系統(tǒng)之間匹配設(shè)計與性能表征、服役后系統(tǒng)內(nèi)失效模式和顯微組織演變規(guī)律以及對力學性能影響研究等，將進一步影響渦輪葉片使用的可靠性。

本文僅從顯微組織損傷分析方面進行了探索，缺乏系統(tǒng)定量表征，組織損傷與性能退化之間的量化關(guān)系還在研究中。葉片的設(shè)計、材料和工藝單位應(yīng)聯(lián)合開展基于顯微組織、斷裂特性層面的損傷機理、仿真分析和壽命預測等系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，積累大量數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗，從而實現(xiàn)由服役葉片失效后分析向預防的轉(zhuǎn)變、掌握如何使用葉片，完善渦輪葉片正向設(shè)計體系。