GH4169高溫合金渦輪盤表面徑軸向裂紋的滲透檢測可行性

喬海燕，任學冬，史亦韋，陶春虎

(1. 北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095)

?

GH4169高溫合金渦輪盤表面徑軸向裂紋的滲透檢測可行性

喬海燕1,2，任學冬1,2，史亦韋1,2，陶春虎1,2

(1. 北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095)

分別選用ZL-27A與ZL67滲透液對GH4169渦輪盤表面徑軸向裂紋進行高靈敏度后乳化型與高靈敏度水洗型熒光滲透檢測，超聲波預清洗30 min后，滲透液浸漬與滴落60 min。利用體式鏡和掃描電鏡研究徑軸向裂紋的宏觀與微觀特征。研究結果表明:GH4169高溫合金渦輪盤在鍛造過程中造成的表面徑軸向裂紋，在高溫下被表面氧化形成Cr2O3為主的復雜氧化物層堵塞開口，使得滲透檢測方法對其檢出并不十分有效。

GH4169；渦輪盤；高溫氧化；滲透檢測

渦輪盤是航空發動機的重要部件，工作溫度雖然比葉片低，但其應力水平很高且應力條件非常復雜，在輪心、輪緣、榫齒等各部位所受應力、溫度、介質作用程度均不同，對盤件各部位的材料性能要求非常嚴格[1]。高溫合金是以Fe，Ni或Co為基體，能在600 ℃以上的高溫環境下抗氧化或耐腐蝕，并能在一定應力作用下長期工作的一類金屬材料[2]。我國渦輪盤變形高溫合金的發展概論顯示[3]，GH4169是眾多渦輪盤用高溫合金中最典型的。按照分類[4]，GH4169合金屬于Ni基變形高溫合金，以體心四方的γ″和γ′沉淀強化，在650 ℃以下具有強度高、抗氧化、抗輻照、熱加工性能和焊接性能好等優異的綜合機械性能[5]。針對GH4169材料性能的測試研究工作，已經開展許多[3，6-8]，但在渦輪盤實際服役時，材料面臨溫度、應力等更復雜的考驗。由于合金化程度高，材料變形抗力大[9]，加工過程中出現的微小裂紋或服役中產生的疲勞裂紋會由于變形抗力或氧化而難以被檢出。渦輪盤表面的裂紋在盤件高速運轉過程中極有可能引起斷裂。渦輪盤的斷裂失效大多會造成非包容性破壞，帶來災難性的后果[10]。2003年，采用GH4169高溫合金制作的渦輪盤在試車臺運行2個多小時后，就發生了由于鍛造裂紋未能檢出而造成渦輪盤的非包容性爆破。選擇最適合的檢測方法，及時檢出裂紋對于保障發動機安全和可靠使用具有重要意義。滲透檢測是一種以毛細作用原理為基礎用于檢測非疏孔性金屬和非金屬試件表面開口缺陷的無損檢測方法[11]。滲透檢測對有一定深寬比的缺陷如開口細而深的裂紋有很高的檢測靈敏度，不受缺陷方向、位置等局限，且缺陷顯示直觀容易判斷，廣泛應用于航空制件的表面檢測。

本研究對GH4169高溫合金渦輪盤進行了滲透檢測，并利用多種手段分析表面裂紋特征，探討了滲透檢測是否為發現該表面裂紋的最佳檢測方法，為制定渦輪盤生產研制與使用過程中的缺陷檢測及其檢測工藝的制定奠定基礎。

1 實驗

1.1 實驗方法

選用后乳化型及水洗型熒光滲透方法對渦輪盤表面缺陷進行檢測；在體式顯微鏡下對缺陷位置和特征進行了宏觀形貌分析；在掃描電子顯微鏡及X射線能譜儀下分別對缺陷特征進行了微觀分析及成分分析。

1.2 滲透檢測實驗

試件為用GH4169高溫合金制作的渦輪盤，如圖1所示，渦輪盤內輪緣表面分布數條目視可見的裂紋，沿軸向與徑向延伸，示意圖見圖2。

圖1 渦輪盤局部Fig.1 Part of the turbine disk

圖2 裂紋分布示意圖Fig.2 Sketch map of crack distribution

渦輪盤經鍛造變形加工而成，表面較光潔，組織致密，存在的缺陷一般緊密細小，滲透檢測時需選擇較高靈敏度的后乳化型熒光滲透液，且滲透時間相應延長[10]。故滲透檢測實驗選擇I類D法，工藝參數見表1。

干粉顯像結束后，在黑光燈下觀察，僅有一處輕微的熒光顯示，用蘸有丙酮的毛刷擦拭后不復現，施加非水濕顯像劑補充顯像后，出現四處線性熒光顯示，但亮度較低，見圖3。

圖3 補充顯像后的熒光顯示Fig.3 Fluorescent penetrant indications after additional nonaqueous developing

ProcessConditionsPre-rinseUltrasoniccleaningwithdetergentfor30minPenetrantapplicationImmersionDwellingImmersion+drainingfor60minPre-rinseWaterpre-rinsewaterpressure0.21MPa,distancebetweenspraygunnozzleandthepart>300mmEmulsifyingDwellingfor40sPostrinseWaterpre-rinsewaterpressure0.21MPa,distancebetweenspraygunnozzleandthepart>300mmDryingOver65℃for20minDevelopingDrydevelopers(+nonaqueousdevelopers)InspectionBlacklight

Note:penetrant is HY31.

另外，實驗還與高靈敏度水洗法滲透檢測進行了比較，檢測結果一致，目視可見的裂紋狀缺陷在熒光下幾乎不可見。

1.3 裂紋形貌觀察

在體式顯微鏡下對渦輪盤上標記有輕微熒光顯示的部位進行觀察，放大倍數分別為15和45，如圖4所示。圖中可見，線性、邊緣鋸齒狀、末端細小等裂紋特征較明顯，但滲透檢測無法檢出，綜合分析認為，可能是由于某種原因造成了裂紋的閉合，無法留存滲透液。

2 結果與分析

2.1 裂紋微觀及成分分析

選擇試樣上顯示最為明顯的一處裂紋，線切割制作掃描電鏡試樣，經金相腐蝕后在掃描電鏡下進行觀察與分析，裂紋的走向較實體顯微鏡下更加清晰可見，圖5為不同放大倍數下裂紋顯示。從放大的形貌上看，微小的裂紋缺陷更象是不同于基體材料的“冶金缺陷”，與基體材料雖有顏色等明顯的差異，但與基體材料結合似乎非常好。

為確定缺陷與基體成分差異，選取缺陷處晶界、晶粒、缺陷與基體接壤過渡區等典型部位進行微區能譜成分分析，微區分析點選取見圖5。將不同區域能譜分析的主要成分含量結果進行對比，見表2，結果顯示，晶界處Cr，Al，Nb元素含量顯著高于基體，并且O含量顯著，而在與基體接壤區及晶粒內部區域，元素含量變化稍緩成一定梯度，與形貌有很好的對應關系。

Micro-zonesOAlTiCrFeNiNbMoa(grainboundary)11.955.072.0552.544.4010.1713.81b(grain)4.181.4027.3014.7042.459.96c(edgeofgrainandbase)0.521.1218.3016.8350.449.013.78Standardcomponents(reference)0.4-0.7(0.5)0.75-1.15(1)16-1916-1950-554.75-5.5(5.1)2.8-3.3

圖6為沿缺陷橫向，即圖中黃色箭頭方向做成分含量線掃描分析，各成分含量變化曲線自上而下分別為Ni,Cr,Fe,Nb,Mo,Ti。由圖6可看出，成分含量變化最大的為元素Cr，Ni，在圖中大的晶界處及異常顆粒處，Cr含量急劇升高，Ni、Fe含量降低，Nb含量也有所升高；而在兩端與基體接壤的部位，Nb,Mo,Ti含量上升而其他元素含量下降。

圖6 沿缺陷橫向線掃描成分含量變化圖譜Fig.6 Atlas of composition content variation by cross line seanning along the defect

2.2 分析與討論

GH4169高溫合金是以Ni-Fe-Cr為基的高溫合金，相對于其他鎳基高溫合金而言，Fe含量較高，因而加入的Cr，Al元素有利于提高合金的抗氧化性能。國內外研究合金的氧化動力學規律表明[12-14]，GH4169的氧化機制是由元素擴散決定的一系列復雜行為，Cr，Al元素與氧反應形成穩定的氧化物，阻止氧化的進一步發展，但實際情況有所差異。在高溫下，GH4169高溫合金表面因與空氣接觸接觸而發生表面氧化，并且氧原子將會沿著晶界或相界向合金內部擴散而造成內部氧化。由于晶界缺陷較多，氧的濃度高，同時又是碳化物集中處，Al含量較低不能形成足夠的AL2O3有效地阻止氧化，氧化便沿晶界或相界向合金內部發展，形成島狀的內氧化層。晶界氧化物的形成和發展使周圍基體中的Cr向氧化物擴散富集，造成成分的不均勻。

GH4169高溫合金渦輪盤件在高溫鍛造過程中，由于合金變形抗力大或其他各種原因造成裂紋，經高溫氧化使裂紋表面及其亞表層形成Cr2O3為主的復雜氧化物層，填充在微小裂紋內且與裂紋表面有很好的化學與物理結合，使之在滲透檢測中無法截留滲透液形成易于觀察的顯示，從而造成檢出的困難。2003年出現的渦輪盤爆破，對出現在表面甚至部分區域呈穿透性鍛造裂紋而未能檢出，與此有一定關系。對于此類缺陷，應當進一步深入研究采用超聲檢測、渦流檢測、目視檢測等多種方法的技術可行性和檢測可靠性，尋求最有效的方法，避免漏檢造成發動機渦輪盤的失效。

3 結 論

GH4169高溫合金渦輪盤表面沿軸徑向分布的細微鍛造裂紋，在高溫下由于表面氧化形成的Cr2O3為主的復雜氧化物層堵塞裂紋，使得與裂紋表面與基體材料有一定的密切結合，滲透檢測方法對這一類裂紋的檢測并不十分有效，應研究使用超聲、渦流或其他合適的方法，避免漏檢。

[1] 1.胡本芙，田高峰，賈成廠，等. 雙性能粉末高溫合金渦輪盤的研究進展[J]. 航空材料學報，2007，27(4)：80-84.

(HU B F，TIAN G F，JIA C C，etal. Development in double-properties turbine disk of P/M super alloy[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2007，27(4)：80-84.)

[2] 蔡玉林，鄭運榮.高溫合金的金相研究[M].北京：國防工業出版社，1986：1.

[3] 中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊：第2卷[M].2版. 北京：中國標準出版社，2001.

[4] 黃乾堯，李漢康，陳國良，等.高溫合金 [M].北京：冶金工業出版社，2002.

[5] 李榮斌，姚枚，劉文昌，等.冷軋對GH4169合金組織與性能的影響[J].金屬熱處理，2002，27(7)：12-15.

(LI R B, YAO M, LIU W C，etal. Effects of cold rolling on microstructure and performance of GH4169 alloy [J].Heat Treatment of Metals, 2002，27(7)：12-15.)

[6] 北京航空材料研究院.航空發動機設計用材料數據手冊:第一冊[M].北京：國防工業出版社，1989：668-716．

[7] 北京航空材料研究院.航空發動機設計用材料數據手冊:第二冊[M].北京：國防工業出版社，1993：95-170．

[8] 杜金輝, 趙光普, 鄧群,等. 中國變形高溫合金研制進展[J]. 航空材料學報, 2016, 36(3):27-39.

(DU J H, ZHAO G P, DENG Q,etal. Development of wrought superalloy in China[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2016, 36(3):27-39.

[9] 楊小紅.GH4169合金高溫塑性變形行為及組織演變模型研究[D].沈陽：沈陽理工大學，2007.

[10] 陶春虎，鐘培道，王仁智，等. 航空發動機轉動部件的失效與防護[M].北京：國防工業出版社，2000.

[11] 林猷文，任學冬.滲透檢測[M] .北京：機械工業出版社，2004.

[12] 趙公臺，趙克清.金屬高溫氧化導論[M].北京：冶金工業出版社，1989．

[13] AHMAD B，FOX P．STEM analysis of the transient oxidation of a Ni-20Cr alloy at high temperature[J]．Oxidation of Metals，1999，5l(1/2)：113．

[14] 崔彤，王介強，王曉軒.GH4169高溫合金高溫氧化特征[J].腐蝕科學與防護技術，2004，16(4)：192-195.

(CUI T，WANG J Q，WANG X X,etal. High Temperature oxidation of super alloy GH4169[J]. Corrosion Science and Protection Technology，2004,16(4)：192-195.)

(責任編輯：張 崢)

Feasibility of Penetrant Testing on Surface Axial-Radial Cracks of GH4169 Super Alloy Turbine Disk

QIAO Haiyan1，2，REN Xuedong1，2，SHI Yiwei1，2，TAO Chunhu1，2

(1. Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China；2.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China)

The post emulsifiable and water-washable fluorescent penetrant testing were carried out with ZL-27A and ZL67 respectively. Ultrasonic cleaning by detergent were used for 30 minutes before penetrant. The parts were immersed and drained for 60 minutes. The macroscopic and microscopic characteristics of cracks were researched using the split mirror and scanning electron microscope. The results show that the outgrowth of high temperature oxidation plugs up the forging cracks. Thus the penetrant testing is not effective in detecting this type of cracks.

GH4169 superalloy；turbine disk；high temperature oxidation；penetrant testing

2015-06-30；

2015-10-20

國防科工局技術基礎科研項目(JSZL2014205B001)通訊作者：喬海燕(1983—)，女，碩士，工程師，主要從事航空材料表面無損檢測技術的研究,(E-mail)cindy220@sina.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.6.015

TG146.1+5；TG115.28

A

1005-5053(2016)06-0092-05