DD6 合金渦輪葉片裂紋失效分析

劉 歡，張開闊，佟文偉，李艷明

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

在航空發動機工作過程中，渦輪葉片承受氣動載荷、振動載荷、離心載荷和熱載荷的共同作用，服役環境苛刻，是發動機中的關重件。DD6 是中國自行研制的1 種第2 代鎳基單晶高溫合金，具有高溫強度高、綜合性能好、組織穩定、鑄造工藝性能好等優點。與國外廣泛應用的第2 代單晶合金相比，其拉伸性能、持久性能、抗氧化性能及耐熱腐蝕性能等均達到甚至部分超過其水平，廣泛應用于制造具有復雜內腔的航空發動機渦輪葉片等高溫零部件。目前，對DD6 合金的研究主要集中在顯微組織演化規律[1-2]及其對性能的影響[3-4]，常規[5-6]及具有葉片結構特征的非標試樣（如帶氣膜孔[7-8]、再結晶層[9]、二次取向[10]）力學性能的試驗，材料試樣的斷裂行為[11-12]等方面；而對復雜構件，尤其是渦輪葉片零部件級的失效研究較少。胡霖等[13]對室溫振動疲勞試驗后的DD6 合金渦輪轉子葉片裂紋進行失效分析，表明異常的γ′筏排組織是導致該葉片早期疲勞開裂的主要原因；馬健等[14]對DD6 合金渦輪葉片在試車后緣板裂紋進行失效分析，表明葉片緣板裂紋是由表面再結晶導致的疲勞開裂，其形成與存在富鎢白色析出相的枝晶界面有直接關系。

本文對某發動機在工作過程中產生裂紋的DD6合金渦輪葉片進行了外觀檢查、斷口分析、成分分析和組織分析，并通過模擬試驗再現再結晶晶粒的產生過程和形貌特征。

1 故障葉片檢查與分析

1.1 外觀檢查

故障葉片熒光探傷圖像如圖1 所示。從圖中可見，裂紋位于葉身葉盆側中間區域，與葉片尾緣排氣窗連通，呈折線擴展。裂紋較長部分與徑向約呈45°擴展；裂紋較短部分靠近葉片尾緣排氣窗，呈近似弦向擴展。為了便于描述，將裂紋較長部分定義為斜向裂紋，裂紋較短部分定義為水平方向裂紋。葉片整體未見超溫變色現象。

圖1 葉片裂紋熒光顯示

1.2 斷口分析

將裂紋人為打開，斷口宏觀形貌如圖2 所示。從圖2（c）中可見，水平方向裂紋斷口呈淺灰（Ⅰ區）和深灰（Ⅱ區）2 個不同顏色區域。Ⅰ區位于葉片尾緣排氣窗間隔墻處，無明顯斷裂形貌特征；Ⅱ區位于葉片葉盆處，可見疲勞弧線和放射棱線特征。根據裂紋斷口宏觀形貌特征判斷，水平方向裂紋性質為疲勞裂紋，疲勞起始于葉片排氣窗間隔墻內腔轉角處（Ⅰ區邊緣），如圖2（c）中紅色箭頭所指；斜向裂紋斷口呈灰白色，為河流狀的類解理特征，根據河流花樣判斷，斜向裂紋為水平方向裂紋的后續擴展。

圖2 裂紋斷口宏觀圖像

在掃描電鏡下放大觀察裂紋斷口源區，形貌如圖3 所示。從圖中可見，水平方向裂紋斷口Ⅰ區為顆粒形貌，未見承受機械載荷斷裂的形貌特征，Ⅱ區為斷裂形貌特征。進一步放大觀察疲勞擴展區，可見疲勞條帶形貌，如圖4 所示。根據水平方向裂紋斷口Ⅰ區宏、微觀形貌判斷，此區域應為再結晶區域。疲勞起源于葉片尾緣間隔墻內腔表面的再結晶晶粒邊界。

圖3 斷口微觀形貌

圖4 疲勞條帶（5000 倍）

1.3 故障葉片其他排氣窗間隔墻檢查分析

對故障葉片其他排氣窗間隔墻內腔進行放大觀察，在部分間隔墻內腔存在不同程度的小裂紋，多位于間隔墻與葉盆/ 葉背的轉接部位，少部分位于間隔墻中部，如圖5 所示。

圖5 部分排氣窗間隔墻內腔形貌

將圖5 中1#間隔墻沿虛線解剖制作截面試樣進行金相檢查，在間隔墻處存在典型再結晶晶粒形貌，如圖6 所示。在再結晶晶粒邊界起始1 條平直裂紋。金相結果顯示，再結晶晶粒與葉片基體顯示出不同的襯度，平直裂紋兩側顯示出相同的襯度。根據故障葉片斷口分析的結果，疲勞起源于間隔墻內腔表面的再結晶晶粒邊界且擴展路徑平直，可以判斷此平直裂紋為沿再結晶晶粒邊界起始的疲勞裂紋。在掃描電鏡中放大觀察，再結晶晶粒與葉片基體γ'相具有不同的位向，平直裂紋兩側γ'相具有相同位向（如圖7 所示），進一步表明平直裂紋是受機械載荷作用引起的疲勞裂紋。

圖6 1#間隔墻內腔截面金相圖像

圖7 1#間隔墻微觀組織形貌

1.4 成分分析

從故障葉片上取樣，對其基體進行能譜分析，結果見表1。從表中可見，主要合金元素質量分數滿足標準要求。

表1 故障葉片基體能譜分析結果 wt%

1.5 組織分析

從葉片裂紋附近部位取樣進行組織分析，γ' 相未變形連通，表明葉片組織正常，如圖8 所示。

圖8 葉片基體組織（10000 倍）

1.6 模擬試驗

在故障渦輪葉片排氣窗間隔墻內腔表面均存在不同程度的小裂紋，為了明確小裂紋的產生原因，進行再結晶腐蝕模擬試驗。從故障葉片榫頭處線切割取樣，在試驗前對試樣進行腐蝕檢查，確保所取試樣為單晶，如圖9 所示，為了便于說明建立如圖9 所示的坐標系。用人工敲擊＋固溶處理的方法在試樣上制備再結晶晶粒，人工制備的再結晶晶粒形貌如圖10 所示。為了模擬葉片生產中的再結晶檢驗過程，將固溶處理后的試樣用鹽酸雙氧水（1∶1）腐蝕液侵蝕，20 min后試樣表面可見明顯的再結晶，如圖11 所示。將腐蝕20 min 后的試樣在1000 ℃下保溫2 h，模擬葉片在工作過程中所處的溫度，保溫后的試樣呈灰白色，再結晶晶粒形貌如圖12 所示。再結晶晶粒邊界形貌與故障葉片間隔墻處小裂紋的形貌相近，如圖13 所示。表明故障葉片間隔墻處小裂紋是再結晶晶界腐蝕的結果。

圖9 葉片榫頭取樣腐蝕圖像

將腐蝕20 min 后在1000 ℃下保溫2 h 的試樣沿圖9 中yz方向制作截面試樣，經打磨、拋光、腐蝕后的再結晶晶粒形貌如圖14 所示。從圖中可見，在再結晶晶界邊緣有楔形缺口（圖14 中箭頭所指），這與故障葉片間隔墻處再結晶晶粒表面的楔形缺口形貌相同，如圖15 所示。此楔形缺口位置對應xz面的小裂紋，進一步表明故障葉片間隔墻處小裂紋是再結晶晶界腐蝕的結果。

圖10 人工制備的再結晶晶粒

圖11 人工制備再結晶試樣腐蝕20 min 后再結晶晶粒

圖12 人工制備再結晶試樣腐蝕20 min，1000 ℃保溫2 h 后再結晶晶粒

圖13 故障葉片間隔墻處的小裂紋

圖14 模擬試驗yz 方向截面試樣再結晶金相圖像

圖15 故障葉片間隔墻處再結晶晶粒金相圖像

2 故障原因分析與討論

金屬的再結晶是在一定量的塑性變形狀態下，加熱到再結晶溫度以上，通過形核和長大形成無應變的等軸晶粒的過程。產生再結晶要同時滿足2 個條件：足夠的塑性變形量和達到再結晶溫度。故障渦輪葉片排氣窗間隔墻處結構復雜，流道截面變化大，在鑄造凝固成型過程中容易在間隔墻處產生較大的殘余應力，當殘余應力超過此處材料的屈服強度時即產生塑性變形，為再結晶的形核提供了條件。在渦輪葉片制作過程中，在定向凝固后進行真空熱處理，標準的熱處理制度是固溶處理＋時效處理（1290 ℃，1 h＋1300 ℃，2 h＋1315 ℃，4 h，空冷＋1120 ℃，4 h，空冷＋870 ℃，32 h，空冷）。固溶處理溫度較高，超過γ'相的固溶溫度[15-16]，為再結晶晶粒的形核提供了溫度條件。因此，在葉片生產過程中的固溶處理工序后，就已經具備在排氣窗間隔墻處形成再結晶晶粒的條件。對未經過試驗的葉片新件進行解剖和金相檢驗，部分葉片的排氣窗間隔墻內腔表面同樣可見再結晶晶粒，如圖16 所示。這進一步表明了再結晶晶粒是在葉片制造過程中產生的。

圖16 未經過試驗的葉片新件金相圖像

單晶渦輪葉片再結晶區增加了與應力軸相垂直的橫向晶界；另外，由于晶體取向不同，再結晶區域的彈性模量等力學性能與葉片基體也不同。因此，單晶葉片上再結晶的存在對葉片的整體力學性能，尤其是持久和疲勞性能影響很大[16]。本文故障葉片的疲勞裂紋在再結晶晶粒邊界萌生，再結晶晶粒顯著降低了葉片的疲勞性能。

鑒于再結晶對單晶渦輪葉片性能的危害，在生產制造過程中會對葉片進行再結晶檢測。《定向凝固葉片中再結晶的檢測與評定方法》（HB7782-2005）中介紹了定向凝固渦輪葉片再結晶檢測與評定的通用性方法。再結晶檢測分為再結晶宏觀檢查和再結晶深度檢測。葉片再結晶宏觀檢查采用低倍腐蝕的方法100%進行；若發現再結晶區域，再對葉片進行解剖，檢測再結晶區域深度。然而，此標準中規定的再結晶檢測僅是對葉片外表面再結晶的檢測方法，而對于如故障葉片的空心氣冷葉片內腔的再結晶，由于未延伸至葉片外表面，不能通過此方法有效檢驗。因此葉片若按照HB7782-2005 進行一般性再結晶檢驗，裝機的葉片內腔可能存在再結晶隱患，影響發動機使用安全。因此，對于復雜結構的空心氣冷渦輪葉片，應增加葉片內腔重點區域的再結晶檢測控制。

另外，模擬試驗證實了故障葉片間隔墻處小裂紋是再結晶晶界腐蝕的結果，小裂紋具有缺口效應，提高此處的應力集中，促進疲勞裂紋的萌生。若葉片內腔沒有再結晶區域，腐蝕液也會優先侵蝕枝晶間區域。因此，在葉片再結晶宏觀檢查過程后，應及時清洗。

由于故障葉片間隔墻內腔腔體較窄，在凝固過程中，金屬液體不易完全包裹陶瓷型芯，容易在間隔墻內腔表面形成下凹且底部尖銳的“溝紋”形貌，如圖17 所示。這些“溝紋”往往是最后凝固的枝晶間部位（如圖17（c）所示）。“溝紋”區域同樣會提高應力集中效應，促進疲勞裂紋的萌生。另外，在“溝紋”處容易殘留葉片在再結晶宏觀檢查過程中的腐蝕液，從而進一步侵蝕“溝紋”，破壞葉片的完整性。

圖17 葉片排氣窗間隔墻內腔的“溝紋”形貌

3 結論

（1）故障DD6 單晶合金渦輪葉片裂紋是葉片排氣窗間隔墻內腔再結晶引起的疲勞開裂，疲勞起始于葉片尾緣間隔墻內腔表面的再結晶晶粒邊界。

（2）故障渦輪葉片基體成分和金相組織未見異常。

（3）故障渦輪葉片排氣窗間隔墻內腔表面的小裂紋是葉片在再結晶檢驗腐蝕過程中腐蝕液對再結晶晶粒邊界侵蝕造成的。

4 改進建議

（1）建議改進葉片排氣窗結構或改進鑄造工藝，減小葉片排氣窗間隔墻處的殘余應力，消除再結晶。

（2）對于復雜結構的空心氣冷渦輪葉片，在葉片生產過程中建議增加內腔重點區域的再結晶檢測控制。

（3）在葉片再結晶宏觀檢查過程后，應及時清洗，防止殘留腐蝕液。