DD6單晶合金渦輪轉子葉片裂紋與內腔等軸晶成因研究

胡 霖，高志坤

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽100015）

0 引言

高推質比渦扇發動機渦輪轉子葉片普遍采用超冷卻結構的單晶高溫合金[1-2]。DD6鎳基單晶高溫合金作為中國自行研制的第2代單晶高溫合金[3]，因具有優異的高溫綜合性能[4]和鑄造工藝性能，已廣泛應用于1100℃以下工作的具有復雜內腔的燃氣渦輪工作葉片等高溫部件[5]。

中國在單晶高溫合金領域的研究起步較晚，應用時間較短，國內單晶葉片合格率一直較低，近幾年其合格率有所提高，但與國外高達70%～80%的單晶葉片合格率相比仍然存在較大差距。影響單晶葉片合格率的因素眾多[6-10]，如雜晶、小角晶界晶粒、取向偏離、再結晶等。科研人員[11]已基本掌握單晶葉片外表面缺陷的固有特性及檢測方法，相關問題也得到有效解決，但隨著渦輪工作葉片冷卻能力的不斷提高，葉片內腔的復雜程度不斷加劇，出現結構性或鑄造性缺陷[12]的可能性也隨之增加，而且一旦出現缺陷，幾乎很難被無損檢測發現，必將給后續使用帶來嚴重的安全隱患。關于葉片內腔缺陷類型、形成機理及其對性能影響方面的研究相對較少，僅鄭真等[13]研究了型芯殘留導致氣流冷卻效果不良，致使局部超溫，造成葉片整體失效，鮮有文獻針對單晶葉片內腔存在的等軸晶缺陷問題及其成因、影響公開報道。

本文針對DD6單晶葉片試驗后出現異常裂紋的現象，揭示出葉片內腔存在等軸晶缺陷及其分布規律，并系統地研究了等軸晶的形成原因，以此為依據提出相應的改進建議。

1 試驗方法與材料

DD6單晶葉片在室溫條件下進行振動試驗過程中，葉片過早出現裂紋。采用DK7750TS型線切割機將裂紋處整體制取，利用Zeiss Discovery V8型體視顯微鏡對裂紋形貌進行宏觀檢查。將裂紋打開后，利用超聲波清洗機對裂紋斷口進行清洗以便后續觀察，再利用 KEYENCE-VHXS50F光學顯微鏡、ZEISS Sigma 500型場發射掃描電子顯微鏡對斷口宏觀和微觀形貌及解剖截面形貌觀察分析。在裂紋附近取樣進行基體顯微組織分析，利用OXFORD X-MAXn型能譜分析儀對故障葉片基體成分進行檢測；采用ANSYS有限元分析軟件進行葉片應力分布研究。

葉片材料為DD6鎳基單晶高溫合金，其化學成分見表1，主要生產流程為葉片鑄造、清殼、脫芯、鑄態檢查、工藝孔焊接、熱處理、單晶完整性檢測、取向測量和理化檢測。葉片精鑄件[001]結晶取向與葉片精鑄件主應力軸的偏離應不大于相關標準規定角度。

表1 DD6鎳基單晶高溫合金化學成分 %

2 試驗過程與結果

2.1 外觀檢查

為摸索某結構葉片的疲勞極限，在特定應力條件下進行試驗，當循環至8.01×106時頻率降低。經檢查確定葉片葉盆側榫頭處存在1條平直狀的裂紋，且裂紋沿45°方向貫穿緣板并延伸至葉身根部，如圖1箭頭所示，裂紋末端存在分叉現象。榫頭處可見明顯的試驗夾具壓痕，但與裂紋未重合，表明裂紋的萌生與試驗無關。

圖1 葉片裂紋宏觀形貌

2.2 斷口分析

將裂紋人工打開，在體視顯微鏡下觀察斷口宏觀形貌，如圖2所示。斷口較光滑，呈鏡面特征，具有較強的反光性。可見明顯的河流狀放射棱線特征，根據其匯聚方向判斷，斷口僅存在1處裂紋源區，位于葉片內腔處，具體位置如圖2中紅箭頭所示。斷口其他區域均為裂紋萌生后的擴展區域。

在場發射掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，斷口源區形貌如圖3所示。源區位于亞表面，呈多源特征，未見放射棱線特征及明顯冶金缺陷（圖3中紅色虛線內）。對該區域進行能譜分析，結果如圖4所示。從圖中可見，除DD6合金基體元素外，存在Ti元素，且不存在Re元素。斷口擴展區微觀形貌如圖5所示。從圖中可見滑移線和細密的疲勞條帶特征，疲勞條帶間距約為0.3μm，表明該裂紋性質為高周疲勞。

圖2 裂紋斷口宏觀形貌

圖3 源區放大形貌

圖4 源區處能譜分析

圖5 擴展區微觀形貌

2.3 表面檢查

對源區附近表面放大觀察，整體形貌如圖6（a）所示。從圖中可見，源區位于葉片內腔平直段處。局部放大觀察，可見數量較多、大小不一的晶粒，約占1.17 mm×1.54 mm，如圖6（b）所示。對晶粒處放大觀察，可見晶粒較完整，輪廓清晰，晶界上存在大量的孔洞，彎折較多，且不連續，如圖6（c）所示。綜合分析可知[14]，該處晶粒應為等軸晶晶粒，且疲勞源區正位于此處。有研究報道[15-16]，單晶材料中存在異常晶粒易破壞單晶組織形態，且在垂直主應力軸的橫向晶界處萌生裂紋，降低葉片的疲勞壽命。

2.4 解剖分析

圖6 源區附近表面形貌

圖7 源區斷口截面微觀形貌

對垂直源區斷口表面解剖檢查分析，形貌如圖7（a）所示。整體為枝晶組織，僅在內腔壁局部區域存在異常組織，呈淺藍色，襯度存在差異，呈突出狀（紅色虛線內）。放大觀察形貌如圖7（b）所示，該異常組織無枝晶特征，面積約為1.0 mm×0.3 mm，內部可見大量黑色孔洞。同時，可見等軸晶晶粒正位于該異常組織局部區域表面（紅色箭頭）。該無枝晶的異常組織區與正常枝晶區界面明顯，對其放大觀察，形貌如圖7（c）所示，可見較大的孔洞和外來物（紅色箭頭），對其進行能譜分析發現主要元素為Si、Al、O等，界面兩側未見明顯差異，均為方格狀的γ+γ′顯微組織。對二者進行成分對比分析，可見明顯的異常，無枝晶的異常組織區存在Ti元素且不存在Re元素，如圖8所示。

對等軸晶晶粒處放大觀察，形貌如圖9（a）所示。晶界處放大觀察形貌如圖9（b）所示，晶界存在粗化，約為17.65μm。局部呈胞狀，γ′相連通成條形且大部分存在垂直于晶面的方向性，其他區域為析出碳化物，形狀呈塊狀、棒狀。對局部晶界處進行面掃描分析，結果如圖10所示。可知碳化物主要為Nb元素，應為MC型碳化物。同時，等軸晶晶粒處顯微組織同樣為正常方格狀γ+γ′。

2.5 顯微組織檢查

對故障葉片裂紋附近的基體取樣進行顯微組織檢查，結果如圖11所示。該組織為典型的方格狀γ+γ′組織，較均勻，符合技術標準要求。

圖8 異常組織處與正常枝晶處成分對比

圖9 等軸晶晶粒放大形貌

圖10 局部晶界處面掃描分析結果

2.6 成分分析

對故障葉片裂紋附近基體進行成分分析，結果見表2。從表中可見，故障葉片基體的成分符合技術標準要求。

圖11 故障葉片基體顯微組織

表2 故障葉片基體成分分析結果 %

2.7 應力計算

對故障葉片振動應力分布分析如圖12所示。從圖中可見，該結構葉片最大應力區位于葉片第1榫齒處（紅色區域）。該葉片疲勞源區未處于此處，表明該葉片疲勞裂紋的產生與最大應力無關。

圖12 葉片榫頭處振動應力分布

3 分析與討論

3.1 葉片裂紋失效原因

根據故障葉片裂紋分析結果可知，葉片裂紋位于榫頭，且貫穿緣板延伸至葉身根部，較平直。根據斷口放射棱線特征，判斷源區位于葉片內腔平直段流道亞表面，擴展區微觀形貌可見細密的疲勞條帶和滑移線，表明裂紋斷口性質為高周疲勞；通過對源區附近表面及解剖檢查分析，可知疲勞源區附近表面可見大量的等軸晶晶粒，結合疲勞源區具體位置，綜合分析表明：DD6單晶渦輪轉子葉片過早萌生疲勞裂紋的主要原因為葉片內腔存在異常的等軸晶晶粒，且無枝晶異常組織區也促進了疲勞裂紋的萌生及擴展。同時，也排除與葉片基體材質及結構上最大應力區有關的可能。

3.2 等軸晶成因

通過上述對葉片裂紋萌生的原因分析可知，對無枝晶異常組織、等軸晶的形成原因及機理進行深入研究對本次故障具有重要意義。由于等軸晶位于無枝晶異常組織區表面（以下簡稱異常組織），因此異常組織對等軸晶的形成起到至關重要的作用。通過對該異常組織的顯微組織分析可知，與正常枝晶區的顯微組織相比，未見明顯差異，均為方格狀的γ+γ′組織。根據單晶高溫合金固溶和時效作用[17-18]可知，固溶處理可以保證γ′相和γ/γ′共晶相全部固溶而不發生初熔，使得合金均勻化；時效處理是促使固溶后析出的γ′相長大，并調整為適宜尺寸和形態的過程，二者共同作用直接影響合金顯微組織形貌，因此根據顯微組織形貌可知，該異常組織經歷了完整的固溶+時效熱處理，進一步判斷異常組織在熱處理之前已存在。對異常組織區和枝晶區的界面分析可知，二者整體結合較好，但局部區域存在孔洞（圖 7（b））及 Si、Al、O 等元素（圖7（c））。成形過程中葉片內腔選用SiO2基陶瓷型芯鑄造。研究[19]表明：在高溫條件下，DD6高溫合金與陶瓷型芯的界面會發生劇烈反應，生成厚約5～6 μm的Al2O3。經分析判斷，認為界面上的Al、O元素應為反應產物，而Si元素應為脫芯后殘留型芯所致，由此推斷該異常組織應在脫芯后出現。最后結合葉片生產工藝履歷判定異常組織應在工藝孔焊接工藝階段中產生。

對異常組織附近的葉片內腔局部結構進行分析，如圖13所示。距離異常組織約3.8 mm存在工藝孔，位于葉身內腔緣板附近，與葉身內腔氣體流道連通。采用葉片脫芯工藝后，為避免葉片工作時冷卻氣體流失現象或擾流現象的發生，對工藝孔采用高溫真空釬焊的方式進行封堵處理。堵頭選用與葉片基體相同的DD6合金，焊料采用高溫合金粉，使用前用膠調制成糊狀，膠采用水基粘結劑與水調制而成。對工藝孔堵頭處的焊料進行分析，結果如圖14所示。焊料成分與異常組織的元素組成相同（也存在低熔點的Ti元素，未見Re元素），且含量基本一致，最終研究表明：該異常組織應為工藝孔堵頭處的高溫合金焊料。

圖13 葉片內腔工藝孔

圖14 工藝孔堵頭處焊料分析結果

根據高溫真空釬焊的原理[20]可知，焊料熔化成液態后再凝固，在凝固過程中，焊料的外表面（即晶粒處）處于自由表面態，其自由能相對較高，張力也相對較大，在不穩定的高自由能階段，這些能量在溫度較高時就會向低自由能轉變[21]。而且，高溫合金本身導熱性較差，在高溫真空焊接冷卻過程中外表面優先冷卻，以外表面為核心形成較多的形核質點，即均勻形核的“胚芽”或稱晶胚，但由于液相中能量起伏有限，不足以使液面所有外表面均產生等軸晶晶粒，因此，最終在高溫真空焊接過程中于異常組織（高溫合金焊料）的局部區域外表面形成等軸晶。

3.3 改進措施

實際上，針對航空發動機單晶葉片內腔等軸晶的故障問題至今未見公開報道。本文所敘述的故障葉片內腔等軸晶晶粒的問題是由工藝孔處高溫合金焊料遺留后造成的。該現象在實際葉片批產后的生產中極易出現，如圖15所示。所使用的高溫合金焊料與葉片基體材料的主要合金元素十分相近，一旦萌生裂紋，將迅速擴展至葉片基體，從而導致葉片整體失效。因此在葉片生產中，應密切關注葉片內腔的生產質量。針對DD6單晶合金葉片，建議今后開展以下工作。

（1）嚴格控制葉片內腔工藝孔堵頭焊接過程的生產質量，避免出現焊料隨機遺留的情況。

（2）應加強對葉片內腔的監控，對易發生問題的危險部位摸索出探入式檢查方法，必要時可開展解剖式檢查。

圖15 同結構其他葉片內腔工藝孔堵頭處

（3）采用焊料先與堵頭進行初焊接，放置到工藝孔后再進行最終焊接的生產順序。

（4）調整葉片內腔局部結構，減少工藝孔堵頭的使用。

4 結論

（1）某航空發動機DD6單晶合金渦輪轉子葉片裂紋為高周疲勞裂紋，起源于葉片內腔平直段亞表面，呈多源特征。

（2）渦輪葉片內腔局部區域存在等軸晶晶粒是導致過早萌生疲勞裂紋的主要原因，且無枝晶異常組織也促進了疲勞裂紋的萌生及擴展。

（3）葉片內腔局部區域存在遺留的高溫合金焊料是等軸晶晶粒形成的重要條件。

（4）疲勞裂紋的萌生與故障葉片材質及結構上的最大應力區無直接關系。