航空發動機用TaW10噴管斷裂失效分析

孫 偉，朱寶輝，周曉軍

（寧夏東方鉭業股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

TaW10合金是一種高密度、高熔點、高強度的稀有金屬合金材料，鎢在鉭中以置換固溶體形式無限固溶于鉭，主要為固溶強化的作用，從而提高材料的室溫及高溫性能。TaW10合金的最高測試溫度可以達到2500℃，與同類型的鉭合金及鈮鎢合金相比具有最高溫度。由于TaW10合金優良的高溫及耐腐蝕性能，所以經常被用于高溫、高壓、腐蝕性介質環境下的關鍵或重要部件，其高溫使用環境下的失效原因及形式是備受關注的焦點。本文通過對航空發動機用TaW10合金身部噴管的失效原因的分析，對此材料的壓力加工工藝提出一定的指導，進而改善材料的使用性能及可靠性。

1 試驗過程

（1）試驗材料。試驗所使用的鑄錠是經真空電子束爐二次熔煉鑄錠（鑄錠外徑尺寸為φ97.5mm），鑄錠化學成分分析結果如表1所示。

（2）試驗工藝。鑄錠（外徑φ97.5mm）→超聲波探傷→箱式電阻爐加熱→表面抗氧化涂裝→中頻感應加熱→3T落錘鍛造→超聲波探傷→鋸切→車外圓→成品鋸切→平頭→棒材成品真空退火→棒材成品性能檢驗→棒材成品檢驗→合格棒材產品包裝發貨→入廠復驗（軍工單位）→成品噴管加工→表面抗氧化涂層制作→風洞試驗。

表1 鑄錠的化學成分

2 斷裂失效原因分析

2.1 使用條件

TaW10噴管試驗溫度為：1540℃，環境介質為：大氣環境下，內部壓力約50MPa，試驗持續時間不足60分鐘，斷裂現象為：噴管擴張段延橫向主斷裂，并伴隨縱向斷裂，整體表現為瞬間炸裂。

2.2 斷口宏觀形貌及金相組織

圖1 TaW10噴管斷口宏觀照片

原始斷口處取橫向及縱向試樣，采用MM6金相顯微鏡進行金相組織分析，分析結果為：平均晶粒尺寸很大（約600μm），屬于TaW10過熱組織。

由于使用環境溫度為1540℃，在TaW10再結晶溫度以上，噴管部分位置存在變形鼓脹，致使表面涂層脫落，在此溫度下持續時間約60分鐘，造成材料基體組織異常長大及過熱，進而導致材料高溫強度及塑性降低。

2.3 斷口微觀形貌

對失效噴管的斷口處取橫縱向試樣，通過斷口SEM（掃描電子顯微鏡）表面形貌分析可以看出，斷口表面存在典型的河流花樣、解理刻面及解理臺階，表明材料呈現脆性，可判定為脆性斷裂。具體微觀斷口形貌照片如圖2所示：

圖2 TaW10噴管縱向取樣微觀斷口形貌照片

3 分析與討論

TaW10材料常規使用溫度在1400～2000℃范圍使用，最高測試溫度可以達到2500℃，在1200℃具有325MPa抗拉強度（σb）和15%延伸率（δ5），1400℃具有280MPa抗拉強度（σb）和19%延伸率（δ5），2000℃具有150MPa抗拉強度（σb）和23%延伸率（δ5），而實驗溫度為1540℃，內部壓力在約50MPa，TaW10的性能完全能夠抵抗此種環境溫度及壓力。但是，由于常規使用的TaW10鑄錠為電子束爐二次熔煉外徑φ97.5mm鑄錠，而棒材成品規格為：φ60×500mm單根重量較大，此種規格鑄錠生產規格及重量較大的成品棒材導致坯料鍛造高徑比不適宜（鉭及鉭合金高徑比1.5～1.8較為適宜），不宜實現大加工率鍛造墩粗，所以鑄造態組織破碎不充分，導致棒坯組織不均勻。晶粒尺寸較為粗大處在高溫及高壓下易出現局部的鼓脹變形，致使涂層表面與基材結合緊密度下降，在高溫、高速氣流沖擊的情況下造成局部涂層脫落，基材氣體雜質吸入（由于鉭及合金的吸氣性能很好，主要為氧氣吸入導致的氧化作用對材料的性能影響較大）進而導致基材性能迅速降低及再結晶溫度下降所導致的過熱。綜上所述：高溫、高壓、氣體雜質吸入、再結晶溫度降低、過熱、強度及塑性降低、脆性增強等動態因素交互作用下，最終噴管瞬間解理脆斷裂失效。

4 結語

①此次試驗身部噴管斷裂性質為解理脆性斷裂。②晶粒尺寸過大及不均勻的棒坯生產的身部噴管在試車試驗中可能導致材料局部變形，進而導致材料斷裂失效。③涂層脫落后的材料吸氣造成材料過熱是導致噴管斷裂失效的主要原因。

[1]Hejilin（何季麟）China Materials Engineering Canon（中國材料大典）[M].Beijing：Chemical Industry Press,2006.

[2]吳全興.鉭及其合金的用途[J].稀有金屬快報,2002,23(3)：24—25.