基于系統(tǒng)工程的高壓渦輪葉片內(nèi)腔滲層正向設(shè)計(jì)

劉國庫，尤宏德，周麗敏，遲慶新

（1.海裝沈陽局駐沈陽地區(qū)某軍事代表室，沈陽 110081；2.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015）

0 引言

高壓渦輪工作葉片在高溫燃?xì)庵幸愿咚傩D(zhuǎn)狀態(tài)工作，要承受離心力、氣動(dòng)彎矩、熱應(yīng)力以及振動(dòng)應(yīng)力，同時(shí)還面臨著高溫氧化和燃?xì)飧g等問題，工作條件十分苛刻。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)使用環(huán)境日趨復(fù)雜以及渦輪進(jìn)口溫度的不斷提升，尤其是海洋環(huán)境中使用的燃?xì)廨啓C(jī)，腐蝕問題更加突出，為此，在葉片表面采用涂、滲層進(jìn)行防護(hù)的技術(shù)被提出并得到了廣泛應(yīng)用。擴(kuò)散型鋁化物涂層具有成本低、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，且可以滿足熱應(yīng)力需求，因此目前世界上80%以上的渦輪葉片涂層為擴(kuò)散型鋁化物涂層[1-2]。

葉片滲層技術(shù)涉及的領(lǐng)域廣、影響因素多，是1項(xiàng)復(fù)雜的表面防護(hù)技術(shù)，近年來，國內(nèi)外對(duì)葉片滲層技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究。Fu等[3]對(duì)AlSi滲層的微觀結(jié)構(gòu)和氧化行為進(jìn)行研究；Liu等[4]對(duì)鎳基單晶高溫合金鋁化物涂層的氧化和降解機(jī)理進(jìn)行了研究；李克等[5]研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心葉片氣相滲鋁工藝，分析了滲鋁層的深度、組織及成分；張超等[6]采用氣相法（Vapor Phase Aluminide，VPA）和化學(xué)氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition，CVD）2種工藝分別制備了CoAl滲層，從滲層厚度及均勻性、金相組織等方面進(jìn)行比較，分析了2種工藝方法在實(shí)現(xiàn)CoAl滲層制備的可行性和實(shí)際效果；Kool等[7]對(duì)渦輪葉片內(nèi)腔滲層利用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。然而，在葉片滲層使用過程中仍然出現(xiàn)了很多問題，國內(nèi)外也報(bào)導(dǎo)過一些由滲層引發(fā)的故障。2004年波音B717-200客機(jī)配裝的BR700-715型發(fā)動(dòng)機(jī)由高壓渦輪葉片內(nèi)腔鋁化物涂層裂紋引起高壓渦輪葉片低周疲勞斷裂，該型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片已經(jīng)發(fā)生過4起類似失效故障[8]；2016年GE公司LM2500+燃?xì)廨啓C(jī)在進(jìn)行熱端大修時(shí)，發(fā)現(xiàn)若干高壓渦輪第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)問題，由于燃機(jī)長期低工況運(yùn)行，鋁硅滲層在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下工作時(shí)間較長，導(dǎo)致鋁硅滲層發(fā)生開裂故障[9]；中國某型發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片在斷裂故障中檢查發(fā)現(xiàn)，投入使用的近半葉片均存在不同程度的滲層裂紋[10]。由此可見，渦輪葉片滲層技術(shù)是1項(xiàng)復(fù)雜的葉片表面防護(hù)技術(shù)，使用的效果與使用溫度、滲層材料、厚度以及滲層工藝等多方面因素相關(guān)。渦輪葉片內(nèi)腔滲層設(shè)計(jì)主要難點(diǎn)在于：（1）影響因素眾多，不同材料、厚度的滲層在給定的使用條件下，對(duì)基體材料的力學(xué)性能、耐腐蝕性能的影響尚需研究；（2）針對(duì)渦輪葉片內(nèi)腔滲層設(shè)計(jì)技術(shù)缺乏系統(tǒng)的研究，可借鑒的成果少。如何根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特定的使用環(huán)境綜合考慮各方面的影響因素，設(shè)計(jì)出綜合性能最佳的內(nèi)腔滲層，是亟待解決的問題。

本文基于系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)理念，開展艦用燃?xì)廨啓C(jī)高壓渦輪工作葉片內(nèi)腔滲層的技術(shù)研究，綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的使用需求和工作環(huán)境等因素，系統(tǒng)地進(jìn)行需求分析，從而牽引出完整的技術(shù)方案，并對(duì)所建立的方案開展驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)工程方法簡介

系統(tǒng)工程是逐步發(fā)展并驗(yàn)證含裝備、人和過程且滿足用戶需求的全壽命周期綜合平衡解決方案的跨學(xué)科方法，其中技術(shù)過程有需求分析、技術(shù)要求分析、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、單元實(shí)施、產(chǎn)品集成、驗(yàn)證、移交和確認(rèn)，是技術(shù)活動(dòng)的綜合機(jī)制[11]。系統(tǒng)工程是一種邏輯思維的方法，其過程通常被描述為1個(gè)“V”字形，項(xiàng)目的需求確認(rèn)（需求分析、技術(shù)要求分析、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）屬于“V”的下行邊，集成和驗(yàn)證則屬于“V”的上行邊。系統(tǒng)工程采用正向設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)產(chǎn)品，從產(chǎn)品的“運(yùn)行環(huán)境”到“內(nèi)部功能”再到“物理架構(gòu)”，從需求出發(fā)，是一系列工作反復(fù)迭代的過程，對(duì)所有解決方案進(jìn)行迭代權(quán)衡以期獲得滿足需求的最佳方案，最終開發(fā)出滿足使用要求、整體功能完善的產(chǎn)品[12-14]，基于系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)活動(dòng)是一種自頂向下的、正向的、全面的設(shè)計(jì)過程，強(qiáng)調(diào)從整體視角看待問題，包括問題的各方面和所有相關(guān)因素，并將管理和技術(shù)層面有機(jī)統(tǒng)一[15]，系統(tǒng)工程的步驟如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工程的步驟

渦輪葉片內(nèi)腔滲層設(shè)計(jì)作為1項(xiàng)涉及多學(xué)科、復(fù)雜的、關(guān)乎整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)使用安全和壽命的關(guān)鍵技術(shù)活動(dòng)，理應(yīng)遵循系統(tǒng)工程的方法，從全局的角度、自頂向下地開展需求分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)證，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命期葉片穩(wěn)定、可靠地工作。

2 基于系統(tǒng)工程的內(nèi)腔滲層技術(shù)

2.1 基于系統(tǒng)工程的葉片內(nèi)腔滲層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工程方法強(qiáng)調(diào)從整體出發(fā)，基于需求開展設(shè)計(jì)活動(dòng)，按照系統(tǒng)工程的方法，燃?xì)廨啓C(jī)高壓渦輪工作葉片的內(nèi)腔滲層設(shè)計(jì)與其上層級(jí)的關(guān)系如圖2所示。滲層技術(shù)方案設(shè)計(jì)應(yīng)從整機(jī)的使用和設(shè)計(jì)需求出發(fā)，自頂向下層層分解，獲得內(nèi)腔滲層完整的技術(shù)方案。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)高壓渦輪工作葉片的內(nèi)腔滲層設(shè)計(jì)與其上層級(jí)的關(guān)系

以燃?xì)廨啓C(jī)的使用需求為輸入，綜合考慮葉片的使用環(huán)境和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行內(nèi)腔滲層設(shè)計(jì)的需求分析，列出需求項(xiàng)。為了能夠在設(shè)計(jì)階段對(duì)滲層的各項(xiàng)需求進(jìn)行充分驗(yàn)證，模擬燃機(jī)渦輪葉片在海洋環(huán)境中的工作狀態(tài)，需要對(duì)不同表面狀態(tài)的樣件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和腐蝕性能試驗(yàn)。規(guī)劃的試驗(yàn)主要包括拉伸性能、低周疲勞、高周疲勞、缺口疲勞模擬、燃?xì)鉄岣g、涂鹽加溫腐蝕，以驗(yàn)證葉片內(nèi)腔滲層的各項(xiàng)性能。同時(shí)開展工藝試驗(yàn)，以便獲得力學(xué)性能影響較小、耐腐蝕性能較好的內(nèi)腔滲層。具體的需求分析結(jié)果及對(duì)需求的驗(yàn)證方案見表1。

表1 需求分析結(jié)果及對(duì)需求的驗(yàn)證方案

根據(jù)需求分析結(jié)果，采用系統(tǒng)工程的研究思路開展渦輪葉片內(nèi)腔滲層技術(shù)研究，內(nèi)腔滲層技術(shù)研究路線如圖3所示。通過多方案的試驗(yàn)驗(yàn)證及迭代優(yōu)化，最終獲得滿足需求的最佳滲層技術(shù)方案。

圖3 內(nèi)腔滲層技術(shù)研究路線

根據(jù)葉片內(nèi)腔滲層的需求分析結(jié)果，結(jié)合技術(shù)路線（圖3），初步策劃了滲鋁、滲CoAl、滲AlSi 3種滲層材料方案，考慮到葉片基體材料力學(xué)性能受到滲層厚度的影響，設(shè)計(jì)了薄、厚不同滲層厚度的樣件，并與不帶滲層的樣件試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，試驗(yàn)件材料為DSM11。通過多種滲層方案的樣件級(jí)試驗(yàn)，綜合比較不同滲層技術(shù)狀態(tài)試驗(yàn)件的力學(xué)性能及腐蝕性能，篩選得出較為合理的葉片滲層，規(guī)劃的性能驗(yàn)證試驗(yàn)件種類見表2。

表2 性能驗(yàn)證試驗(yàn)件種類

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)驗(yàn)證

力學(xué)性能主要試驗(yàn)參數(shù)見表3。根據(jù)葉片使用環(huán)境的工作溫度初步確定在室溫、485以及800℃3種溫度下開展試驗(yàn)驗(yàn)證。

表3 力學(xué)性能主要試驗(yàn)參數(shù)

2.2.1拉伸性能試驗(yàn)

按照HB 5143《金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法》及HB 5195《金屬高溫拉伸試驗(yàn)方法》，對(duì)DSM11合金開展了不同溫度下、不同滲層試樣（表2、3）拉伸試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 DSM11合金拉伸試驗(yàn)結(jié)果（800℃）

從圖中可見，在室溫和485℃下，除純Al厚滲層試樣抗拉強(qiáng)度略低外，其余表面狀態(tài)的試樣拉伸強(qiáng)度差異較小，帶滲層試樣屈服強(qiáng)度略低于無滲層試樣的；在800℃下，AlSi滲層試樣的屈服強(qiáng)度與無滲層試樣的相比有所降低。

DSM11合金強(qiáng)度與溫度關(guān)系如圖5所示。從圖5（a）中可見，隨著溫度的升高，有、無滲層的試樣抗拉強(qiáng)度均有降低趨勢。從圖5（b）中可見，隨著溫度的升高，AlSi滲層的試樣屈服強(qiáng)度有降低趨勢，CoAl滲層試樣和純Al滲層試樣在800℃下的屈服強(qiáng)度高于在485℃下的；在485℃下純Al厚滲層屈服強(qiáng)度最低，其他滲層試樣基本相當(dāng)；在800℃下AlSi滲層屈服強(qiáng)度最低，其他滲層試樣基本相當(dāng)。

圖5 DSM11合金強(qiáng)度與溫度關(guān)系

綜上所述，試樣表面制備上述3種鋁化物滲層后，除純Al厚滲層試樣外，DSM11合金在各溫度下的抗拉強(qiáng)度無顯著變化，滲AlSi后，材料的屈服強(qiáng)度降低顯著；滲CoAl和滲Al后，DSM11合金在800℃下的屈服強(qiáng)度無顯著變化，在室溫及485℃下的屈服強(qiáng)度降低。

2.2.2 高周疲勞試驗(yàn)

按照HB 5153《金屬高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法》，對(duì)DSM11合金開展了不同表面狀態(tài)試樣的高周疲勞試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。表面滲AlSi試樣在485、800℃下的高周疲勞性能較無滲層試樣的均顯著降低，且低于其他2種滲層試樣的。在800℃下，當(dāng)滲層厚度為20 μm左右時(shí)，CoAl與Al 2種滲層對(duì)DSM11合金高周疲勞性能影響較??；當(dāng)滲層厚度達(dá)到30 μm以上時(shí)，帶各類滲層試樣的疲勞壽命均顯著低于無滲層試樣的，且降低幅度接近。

圖6 DSM11合金高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果

滲層厚度對(duì)高周疲勞壽命的影響如圖7所示，從圖中可見，高周疲勞壽命隨滲層厚度增大有降低的趨勢。分析認(rèn)為滲層厚度增加后，在高周疲勞條件下，滲層更容易開裂，并進(jìn)一步擴(kuò)展到基體材料。

圖7 滲層厚度對(duì)高周疲勞壽命影響

2.2.3 低周疲勞試驗(yàn)

按照HB 5287《金屬材料軸向加載疲勞試驗(yàn)方法》，開展了不同溫度下、不同表面狀態(tài)的試樣低周疲勞試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。從圖中可見，不同滲層試樣的低周疲勞壽命較無滲層試樣的均有所降低，其中，在485℃下，各滲層對(duì)疲勞壽命影響程度較接近；在800℃下，滲AlSi試樣的低周疲勞壽命較無滲層試樣的明顯降低，亦顯著低于滲CoAl和滲Al試樣的。

圖8 低周疲勞試驗(yàn)結(jié)果

滲層厚度對(duì)低周疲勞壽命的影響如圖9所示。從圖中可見，低周疲勞壽命隨滲層厚度增大有降低的趨勢。由于滲層的材料力學(xué)性能低于基體材料的，在低周大應(yīng)力作用下，隨著滲層厚度增加，滲層需要承受更大的載荷，易于產(chǎn)生裂紋。

圖9 滲層厚度對(duì)低周疲勞壽命影響

2.2.4 缺口試驗(yàn)

缺口疲勞模擬試驗(yàn)采用應(yīng)力控制，加載頻率為3 Hz，試驗(yàn)載荷波形為三角波，應(yīng)力比R=0.1，測定試驗(yàn)件的疲勞斷裂循環(huán)次數(shù)，當(dāng)循環(huán)數(shù)高于105仍未斷裂則增載直至斷裂，該試驗(yàn)主要模擬滲層對(duì)結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)的力學(xué)性能影響。缺口試驗(yàn)結(jié)果表明，滲AlSi試樣的缺口疲勞壽命顯著低于無滲層試樣的，無滲層及帶其他各類滲層的缺口試樣在σmax=333MPa試驗(yàn)載荷下疲勞壽命均高于105循環(huán)。

2.3 腐蝕性能試驗(yàn)驗(yàn)證

2.3.1 燃?xì)鉄岣g試驗(yàn)

燃?xì)鉄岣g試驗(yàn)在RFY-2型燃?xì)鉄岣g試驗(yàn)器上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為900℃，試驗(yàn)時(shí)間為1000 h。燃?xì)鉄岣g試樣共7種表面狀態(tài)，分別為無滲層、純Al薄滲層、純Al厚滲層、CoAl薄滲層、CoAl厚滲層、AlSi薄滲層、AlSi厚滲層試樣。DSM11合金無涂層和純Al薄滲層試樣燃?xì)鉄岣g試驗(yàn)外觀變化圖像如圖10所示。從圖中可見，經(jīng)過1000 h的燃?xì)鉄岣g試驗(yàn)，7種表面狀態(tài)的試樣表面均形成氧化物類型的腐蝕產(chǎn)物。DSM11合金無涂層試樣原始表面呈銀白色金屬光澤，300 h燃?xì)鉄岣g試驗(yàn)后表面呈綠色，500 h試驗(yàn)后部分試樣的綠色腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?，腐蝕加速。純Al滲層和CoAl滲層試樣原始表面呈黃褐色，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，表面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛液谏?，AlSi滲層試樣原始表面呈淺灰色、深灰色或黃褐色，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，表面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色和灰黑色。1000 h試驗(yàn)后大部分試樣表面腐蝕產(chǎn)物均轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?/p>

圖10 DSM11合金無涂層和純Al薄滲層試樣燃?xì)鉄岣g試驗(yàn)外觀變化圖像

無滲層DSM11材料試樣500 h試驗(yàn)后表面微觀形貌如圖11所示。從圖中可見，產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物明

圖11 無滲層DSM11材料試樣500 h試驗(yàn)后表面微觀形貌

顯脫落。其余6種表面帶滲層的試樣1000 h燃?xì)鉄岣g試驗(yàn)后微觀形貌如圖12所示。從圖中可見，試樣表面均生成一層致密的氧化鋁，致密的氧化鋁層能夠起到阻擋作用，阻止試樣進(jìn)一步腐蝕。

圖12 其余6種表面帶滲層的試樣1000 h燃?xì)鉄岣g試驗(yàn)后微觀形貌

為定量表征試樣腐蝕情況，繪制7種表面狀態(tài)試樣的質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線，如圖13所示。從圖中可見，7種表面狀態(tài)的試樣質(zhì)量均隨著腐蝕時(shí)間的延長而增大。DSM11合金無涂層試樣在前400 h質(zhì)量增大緩慢，500 h后，質(zhì)量增大迅速，表明腐蝕速度顯著加速。其它6種滲層樣件的質(zhì)量增大緩慢，均表現(xiàn)出良好的抗熱腐蝕能力，優(yōu)于無滲層試樣的。

圖13 7種表面狀態(tài)試樣的質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線

2.3.2 涂鹽加溫腐蝕試驗(yàn)（485℃）

涂鹽加溫腐蝕試驗(yàn)在熱循環(huán)爐中進(jìn)行，試驗(yàn)總時(shí)間為200 h，在確定的溫度和鹽成分條件下進(jìn)行。試驗(yàn)試樣共有4種表面狀態(tài)，分別為無滲層、CoAl滲層、純Al滲層以及AlSi滲層試樣。在200 h試驗(yàn)后，4種表面狀態(tài)試樣宏觀形貌如圖14所示。從圖中可見，無滲層試樣表面由金屬光澤逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛疑傾l薄滲層和CoAl薄滲層試樣表面由黃褐色轉(zhuǎn)變?yōu)榛疑?，AlSi薄滲層試樣表面由灰白色轉(zhuǎn)變?yōu)樯罨疑?種表面狀態(tài)的試樣表面均產(chǎn)生輕微氧化。

圖14 200 h試驗(yàn)后4種表面狀態(tài)試樣宏觀形貌

在200 h試驗(yàn)后，4種表面狀態(tài)試樣微觀形貌如圖15所示。從圖中可見，各試樣表面均產(chǎn)生輕微氧化，局部可見原始加工或原始滲層形貌。

圖15 200 h試驗(yàn)后試樣表面微觀形貌

在經(jīng)過200 h的腐蝕試驗(yàn)后，4種表面狀態(tài)的試樣質(zhì)量變化均較小，表現(xiàn)出良好的抗熱腐蝕能力。由于試驗(yàn)是在靜態(tài)環(huán)境中進(jìn)行且時(shí)間較短，不同滲層試樣抗腐蝕性差異不明顯，分析認(rèn)為，隨著試驗(yàn)時(shí)數(shù)增長，帶滲層試樣的抗腐蝕性能力將會(huì)逐漸突顯，后續(xù)可針對(duì)更長時(shí)數(shù)的涂鹽加溫腐蝕試驗(yàn)開展進(jìn)一步的研究。

2.4 滲層工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

綜合考慮不同滲層方案樣件的力學(xué)性能及抗腐蝕性能，選定了2種滲層方案：CoAl薄滲層和純Al薄滲層開展工藝試驗(yàn)，以保證滲層厚度和均勻性。通過反復(fù)試驗(yàn)，優(yōu)化并確定了滲層的工藝參數(shù)，并對(duì)樣件開展力學(xué)性能試驗(yàn)和腐蝕性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用優(yōu)化后的氣相滲工藝完成的滲層樣件表面無脫落、翹皮、鼓泡和開裂等現(xiàn)象，滲層深度滿足要求，滲層呈現(xiàn)典型的雙層結(jié)構(gòu)（富鋁層+擴(kuò)散層），均勻連續(xù)性良好。在485℃下，CoAl薄滲層、純Al薄滲層及無滲層3種試樣的高周疲勞壽命無顯著差異，在800℃下，CoAl薄滲層與純Al薄滲層2種試樣的高周疲勞壽命無顯著差異，略低于無滲層試樣的；CoAl薄滲層和純Al薄滲層試樣的腐蝕速率相當(dāng)，明顯優(yōu)于無滲層試樣的。

2.5 產(chǎn)品實(shí)施及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)試樣滲層方案和驗(yàn)證結(jié)果，采用工藝優(yōu)化的氣相滲方法對(duì)某型燃機(jī)高壓渦輪工作葉片進(jìn)行內(nèi)腔滲CoAl薄層和純Al薄層，并開展了低循環(huán)疲勞試驗(yàn)和振動(dòng)疲勞檢驗(yàn)試驗(yàn)，主要目的是在給定的模擬試驗(yàn)環(huán)境條件下，驗(yàn)證內(nèi)腔滲層葉片的抗高、低周疲勞能力，以確定滲層技術(shù)方案的可行性。

2.5.1 低循環(huán)疲勞試驗(yàn)

低循環(huán)疲勞試驗(yàn)在立式旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)器上開展，試驗(yàn)狀態(tài)以某型燃機(jī)的典型工況狀態(tài)為基準(zhǔn)循環(huán)狀態(tài)，將高壓渦輪工作葉片（內(nèi)腔CoAl薄滲層和純Al薄滲層各3片）安裝在高壓渦輪盤上，在旋轉(zhuǎn)、加溫條件下進(jìn)行試驗(yàn)，為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)使用狀態(tài)，在試驗(yàn)過程中保證試驗(yàn)溫度和主要考核部位的有效應(yīng)力水平與燃機(jī)狀態(tài)相當(dāng)，本次低循環(huán)疲勞試驗(yàn)按750次考核，在試驗(yàn)過程中葉片表現(xiàn)良好，試驗(yàn)后對(duì)葉片進(jìn)行解剖分析，內(nèi)腔滲層表面未見裂紋，滲層厚度及成分符合要求，組織未見異常，葉片榫頭內(nèi)腔剖切位置如圖16所示，葉片伸根內(nèi)腔截面滲層（微觀）如圖17所示，葉片通過低循環(huán)疲勞試驗(yàn)考核試驗(yàn)。

圖16 葉片榫頭內(nèi)腔切割位置

圖17 葉片伸根內(nèi)腔截面滲層（微觀）

2.5.2 振動(dòng)疲勞檢驗(yàn)試驗(yàn)針對(duì)無滲層葉片、

CoAl薄滲層和純Al薄滲層方案的高壓渦輪工作葉片，開展振動(dòng)疲勞性能檢驗(yàn)試驗(yàn)，驗(yàn)證葉片內(nèi)腔滲層對(duì)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片疲勞極限的影響。該試驗(yàn)在電磁振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，為模擬渦輪葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)上的真實(shí)狀態(tài)，根據(jù)葉片一彎振動(dòng)應(yīng)力分布結(jié)果，在最大應(yīng)力位置粘貼應(yīng)變片，進(jìn)行應(yīng)力標(biāo)定，葉片貼片位置如圖18所示。根據(jù)工程研制經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合計(jì)算分析結(jié)果，試驗(yàn)考核應(yīng)力選為120 MPa。

圖18 葉片貼片位置

高壓渦輪內(nèi)腔無滲層葉片以及內(nèi)腔CoAl、純Al薄滲層葉片在120 MPa應(yīng)力下，均連續(xù)6片經(jīng)過了2×107循環(huán)未發(fā)生破壞，通過了規(guī)定應(yīng)力下的疲勞檢驗(yàn)，內(nèi)腔CoAl、純Al薄滲層葉片與無滲層葉片的抗高周疲勞能力滿足要求。

2.6 形成規(guī)范

為了保證高壓渦輪工作葉片內(nèi)腔滲層的質(zhì)量，同時(shí)為海洋環(huán)境下使用的燃?xì)廨啓C(jī)葉片內(nèi)腔滲層設(shè)計(jì)提供參考借鑒，將研究成果總結(jié)提煉，形成《高壓渦輪工作葉片內(nèi)腔鋁化物滲層規(guī)范》和《發(fā)動(dòng)機(jī)用材料及防護(hù)涂層高溫涂鹽腐蝕試驗(yàn)規(guī)范》，完善了高壓渦輪工作葉片內(nèi)腔滲層設(shè)計(jì)體系《渦輪冷卻葉片防腐抗氧化涂層設(shè)計(jì)規(guī)范》，同時(shí)彌補(bǔ)了行業(yè)內(nèi)在內(nèi)腔滲層技術(shù)研究上不能從整體需求出發(fā)、設(shè)計(jì)確認(rèn)不充分、驗(yàn)證不完整、缺乏正向設(shè)計(jì)的不足，提升了渦輪葉片內(nèi)腔滲層技術(shù)能力和水平。

3 結(jié)論

（1）AlSi、CoAl、純Al3種鋁化物滲層對(duì)DSM11合金的材料力學(xué)性能是有影響的，其中AlSi滲層在485℃下的高周疲勞壽命降低顯著，在800℃下的低周疲勞壽命降低顯著；滲層材料對(duì)高、低周疲勞壽命的影響總體符合壽命隨滲層厚度增大而降低的趨勢；3種滲層均有較好的抗腐蝕能力，且抗腐蝕能力基本相當(dāng)，均優(yōu)于無滲層試樣的；

（2）采用氣相滲工藝方法完成的內(nèi)腔CoAl薄滲層和純Al薄滲層的高壓渦輪設(shè)計(jì)，通過了低循環(huán)疲勞考核試驗(yàn)和振動(dòng)疲勞檢驗(yàn)試驗(yàn)，驗(yàn)證了選定的2種渦輪葉片內(nèi)腔滲層技術(shù)方案可行；

（3）基于系統(tǒng)工程的方法開展的渦輪葉片內(nèi)腔滲層技術(shù)研究，對(duì)渦輪葉片內(nèi)腔滲層設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了梳理，補(bǔ)充、完善了內(nèi)腔滲層相關(guān)的試驗(yàn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，為后續(xù)燃機(jī)渦輪葉片內(nèi)腔滲層的正向設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)借鑒。