某型發動機渦輪葉片葉冠外端面高溫氧化和腐蝕故障分析與對策

宋丙新 王軼 熊高峰

摘要：對渦輪葉片葉冠外端面高溫氧化和腐蝕情況進行了外觀與尺寸、成分與金相等檢查以及裝配情況復查，分析認為，在無鋁硅層保護狀態下，葉片葉冠外端面抗氧化和抗熱腐蝕性能降低，長期工作中的高溫氧化和熱腐蝕持續累積導致了故障的發生。給出了對渦輪葉片葉冠外端面滲鋁硅是提高抗氧化和抗熱腐蝕性能、避免葉冠外端面腐蝕故障的對策。

關鍵詞：渦輪葉片；高溫氧化；腐蝕；故障分析

Keywords：turbine blade；temperature oxidation；corrosion；failure analysis

1 故障現象

某發動機試車后分解檢查發現，渦輪葉片中有5件葉冠外端面存在疑似材料附著、剝落現象（見圖1）。

2 故障件信息

此渦輪葉片中的5件故障葉片為串用某A號發動機的葉片，其余葉片均為串用某B號發動機的葉片，基本信息見表1。

由表1可見，5件故障葉片裝配位置不均勻分布，總工作時間為1418h48min，來源于同一臺某A號發動機；其余葉片總工作時間為1202h08min，來源于同一臺某B號發動機。上述葉片試車前修理時均進行了重新滲鋁硅。

3 故障件檢查與分析

3.1 外觀與尺寸檢查

分解檢查渦輪，5件葉片葉冠外端面存在疑似材料附著、剝落現象，與之匹配的蜂窩外環有磨損痕跡；5件葉片葉身、榫頭位置外觀檢查未見異常（見圖2）。葉片與蜂窩配合尺寸變化及葉冠封嚴齒厚度情況見表2、表3。

由表2、表3可見，渦輪葉片試車后均有伸長，其中故障葉片葉冠外端面存在疑似材料附著、剝落痕跡，封嚴齒厚度比正常葉片增大約0.2 mm。

3.2 成分與金相檢查

選取不同類別渦輪葉片，通過掃描電鏡檢測葉片表面成分，葉身和榫頭部分未見明顯差異，但故障葉片葉冠表面成分與正常葉片存在差異。葉冠表面成分對比見表4。

由表4可見，試車故障葉片葉冠Al、Si含量較其他葉片偏低，Ti含量和Cr含量也偏低，Ni含量明顯比其他葉片高。對與故障渦輪葉片同滲鋁硅爐批的葉片葉冠進行解剖并進行金相檢查，在葉冠位置未發現鋁硅層。

渦輪葉片葉冠表面微觀形貌檢查，發現呈顆粒狀氧化物覆蓋特征，且有與基體的分層現象，如圖3所示；對表面進行X射線能譜分析，發現表面富含O、Ni、Co和少量Al元素。

檢查葉冠剖面金相形貌，氧化物層主要分為外氧化層、氧化過渡層和內氧化層，如圖4所示；對氧化層進行能譜分析，發現氧化層主要含O、Ni、Co、Cr、Fe、Ti、Al、Si元素，可見葉冠處沒有其他污染物，是自身氧化物。

3.3 裝配情況復查

復查裝配情況，認為渦輪葉片裝配符合要求，葉片裝配復查情況見表5。

4 分析討論

渦輪葉片設計圖規定對葉片流道表面滲鋁硅，滲層厚度0.02～0.04mm，除榫頭外其他表面允許漏滲，滲層厚度不大于0.025mm。按上述規定，部分渦輪葉片葉冠外端面存在無滲鋁硅層的可能。

該渦輪葉片材料為高溫合金，在無鋁硅層保護情況下，基體材料長期在高溫環境中工作，易發生高溫氧化和熱腐蝕。與5件故障葉片同爐滲鋁硅層的1件葉片葉冠解剖后金相檢查未見鋁硅層，表明故障葉片葉冠外端面使用前大概率也無鋁硅層。同時，因故障葉片工作時間已接近總壽命，氧化、熱腐蝕累積時間較長，致使葉冠外端面的抗氧化和抗熱腐蝕性大大降低。分析認為，故障葉片抗氧化性和抗熱腐蝕性降低，是導致葉冠外端面高溫氧化和腐蝕的主要原因。

5 結論與對策

故障葉片葉冠Al、Si、Ti含量較其他葉片偏低，Ni含量明顯比其他葉片高。對故障葉片同爐滲鋁硅的葉片進行葉冠解剖和金相檢查，發現同爐葉片葉冠外端面無鋁硅層。試驗和抽檢表明，故障葉片工作前葉冠外端面已無鋁硅層。

該渦輪葉片材料為高溫合金，在無鋁硅層保護狀態下，葉冠外端面抗氧化和抗熱腐蝕性能降低，長期工作中，高溫氧化和熱腐蝕持續累積，發生了高溫氧化和熱腐蝕。

通過渦輪葉片葉冠外端面滲鋁硅，可提高其抗氧化和抗熱腐蝕性能。針對渦輪葉片葉冠外端面高溫氧化和腐蝕故障，建議增加葉冠外端面滲鋁硅要求，滲層厚度定為0.02～0.04mm。