高溫合金渦輪轉子葉片裂紋形成機理

王 影 王宇寧 劉春立 韓 露 盧 鵡

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 高溫合金渦輪轉子在經歷過多次發動機試車后熒光檢查發現葉片根部存在裂紋，對渦輪轉子葉片裂紋進行分析。結果表明，渦輪轉子葉片裂紋位于葉片根部進出口薄壁區，裂紋的開裂模式為高溫疲勞開裂，屬于低周疲勞，為壽命型失效。試車過程中轉子葉片根部應力集中部位在高溫及交變應力的交互作用下，葉尖根部應力集中區域發生蠕變和晶界擇優氧化，高溫蠕變和沿晶氧化相互促進，導致葉片根部的晶界弱化開裂，形成了疲勞源區，進而在后續工作過程中發生高溫疲勞擴展。

0 引言

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。GH4141 合金屬于Ni-Cr-Co 基沉淀硬化變形高溫合金，主要以時效沉淀γ'相和M6C 型碳化物為主要強化相，使用溫度在980℃以下。合金可在650～900℃具有較高的拉伸、持久和蠕變強度、抗屈服和抗疲勞性能以及良好的抗氧化性能，是980℃以下使用力學性能最高的合金之一。此外GH4141合金的加工性能良好，被廣泛用于航空航天發動機渦輪轉子、渦輪盤、導向葉片、燃燒室板材承力件等重要部件［1-4］。

渦輪轉子是發動機的重要部件之一，渦輪轉子在服役過程中葉片一直承受復雜的循環載荷，其應力集中部位極易產生裂紋萌生、擴展和斷裂，葉片的失效尤其疲勞失效具有較強的隱蔽性和突發性，發生失效時往往毫無征兆，一個葉片故障可能會帶來災難性的后果。發動機葉片在服役條件下的損傷模式主要有疲勞、高溫蠕變及高溫氧化，同時還包括疲勞、蠕變及氧化的交互作用，最終導致疲勞裂紋萌生、擴展以致發生疲勞斷裂。影響葉片疲勞壽命的因素包括：如葉片自身質量、存在異常超溫現象以及長時間的嚴酷試驗環境等。目前對渦輪轉子葉片研究主要集中在仿真計算和模型建立方面，包括疲勞壽命模型建立、疲勞壽命分析，應力場、應變場及溫度場場仿真分析等［5-8］。在破壞模式研究方面主要是以力學試樣在實驗室環境下進行的蠕變疲勞、高溫疲勞分析，分析渦輪轉子所用材料的各種疲勞壽命，部分研究涉及到試樣的斷裂形貌分析，極少涉及到真正的渦輪轉子葉片的失效機理及原因分析［9-10］。本文對發動機熱試車后渦輪轉子葉片裂紋的失效模式及機理進行研究。

1 試驗

本研究所用材料為GH4141。熒光滲透實驗按GJB2367A—2005 進行，選用高靈敏度熒光液ZL-67D、滲透時間30 min；采用場發射掃描電鏡（FEI Quanta 650）分析裂紋及斷口形態；采用牛津X 射線能譜儀并按GB/T17359—2012 進行能譜成分分析；金相組織分析按GB/T 14999—2012 對材料內部純潔度進行評定，采用LEICA4000 顯微鏡對組織進行觀察；按GB/4340.1—2009對材料顯微硬度進行測試。

2 結果與討論

2.1 裂紋分析

渦輪轉子為盤軸一體結構，由鍛件機加工+電解成形。渦輪轉子經歷過長時間的熱試車，試車時渦輪轉子轉速3×104r/min、所處環境溫度約700～750℃。該渦輪轉子在熱試車后的熒光檢查中發現多個葉片根部均存在裂紋。

渦輪轉子的宏觀形貌如圖1所示，目視觀察渦輪轉子結構完好，未見變形，轉子葉片呈灰黑色，葉片顏色比盤面顏色深，渦輪轉子軸呈亮金屬色。

圖1 渦輪轉子的宏觀形貌Fig.1 Macro-morphology of turbo rotor

熒光滲透檢查結果表明GH4141轉子進氣側有7個葉片根部有線形顯示（轉子共計53 個葉片），出氣側有45個葉片根部有線形顯示。

體視顯微鏡下觀察，裂紋出現的位置及形態相似，裂紋距根部的距離基本相當、約2 mm，裂紋長度均在4 mm 以下，裂紋附近未見明顯宏觀塑形變形、機械損傷現象，典型形貌如圖2所示。

圖2 葉片根部裂紋宏觀形貌Fig.2 Macro-morphology of cracks in the blades’root

為了進一步放大觀察葉片表面裂紋的形貌特征，采用線切割方法在渦輪轉子進氣側和出氣側各取下一個帶有裂紋的葉片。將所取兩個試樣清洗，采用場發射掃描電鏡對裂紋進行微觀形貌觀察。兩個試樣表面微觀形貌相似，表面可見明顯沿晶顯示，晶界粗化明顯，晶面上可見多條滑移條帶，裂紋附近晶界粗化程度及滑移比其他區域嚴重。在裂紋區域表面進行能譜分析，分析結果表明葉片表面除基體元素外還含有較高的O 元素，表明葉片表面發生了高溫氧化和晶界的擇優氧化。晶面上的滑移條帶表明葉尖裂紋附近區域已經發生了高溫蠕變現象，裂紋區域微觀形貌如圖3所示。

圖3 葉片根部裂紋表面微觀形貌Fig.3 Micro-morphology of cracks in the blades’root

2.2 斷口分析

進氣側和出氣側葉片裂紋斷口的宏觀形貌相似，裂紋斷口與人工斷口之間存在明顯的止裂線，裂紋斷口表面存在高溫氧化現象，斷口源區位于表面，為多源起裂，從源區到擴展區斷面的高溫氧化顏色逐漸減弱，由灰黑色逐漸過渡到亮黃色，表明裂紋源區高溫氧化程度嚴重，裂紋尖端高溫氧化程度相對輕，斷口宏觀形貌如圖4所示。

圖4 進氣口和出氣口兩個葉片斷口宏觀形貌Fig.4 Macro-morphology of blades’fracture

采用掃描電鏡和能譜分析儀對裂紋斷口不同區域進行微觀形貌，觀察結果表明兩個斷口的微觀形貌相似，斷口源區均位于表面，為多源起裂，源區均呈沿晶形貌，且晶面存在明顯的磨損和高溫氧化現象，沿晶區最大深度約為0.2 mm（約4 個晶粒尺度）；擴展區呈穿晶形貌，可見多條疲勞擴展弧線和明顯的疲勞條帶；人工斷口呈韌窩形貌，進氣口、出氣口斷口的微觀形貌如圖5、圖6所示。

圖5 進氣側葉片裂紋斷口微觀形貌Fig.5 Micro-morphology of inset blades’fracture

圖6 出氣側葉片裂紋斷口微觀形貌Fig.6 Micro-morphology of outset blades’fracture

2.3 微觀組織分析及顯微硬度測試

在渦輪轉子出氣側上另取一個帶裂紋的葉片，并將其制備成金相試樣進行組織觀察和顯微硬度測試。按照GB/T 14999—2012 對試樣的純潔度進行評級，為B類1c級。

圖7（a）給出的是試樣腐蝕后的顯微組織形貌，葉片組織為奧氏體+顆粒狀碳化物，按照GB/T 6394—2017 對試樣的晶粒度進行評級，結果為6～7 級。葉片的主裂紋附近存在一條平行裂紋，在深度方向上先沿晶擴展后穿晶擴展，裂紋起始位置（表面區域）呈楔形，裂紋內部填充有高溫氧化物，附近區域表面晶界存在楔形氧化現象，如圖7（b）（c）所示。

圖7 葉尖根部裂紋及附近組織形貌Fig.7 Microstructure of the blades’root

采用顯微硬度儀對金相試樣進行硬度測試，結果為（HV0.2）：444、429、426、467、446，平均為461，相當于HRC45。

2.4 分析與討論

GH4141 渦輪轉子在試車后葉片表面存在高溫氧化現象，進氣側及出氣側均存在多個葉片在葉片根部發生開裂的現象，葉片根部裂紋的形態相似，裂紋及其附近區域存在明顯的沿晶氧化及滑移現象，表明裂紋區域在高溫及應力的作用下發生了高溫蠕變和沿晶高溫氧化。

渦輪轉子裂紋斷口大部分區域呈灰黑色，與葉片表面顏色相近，高溫氧化嚴重，裂紋尖端區域呈亮黃色，高溫氧化程度相對輕，由于渦輪轉子的工作溫度相對較高（700～750℃），而裂紋斷口首先開裂區域（源區）位于表面，接觸高溫時間較長，導致高溫氧化程度嚴重。斷口分析結果表明源區呈沿晶形貌，晶面上存在明顯的磨損和高溫氧化，擴展區可見明顯的疲勞擴展弧線及疲勞條帶，表明裂紋的擴展區開裂模式為高溫疲勞。開裂葉片的金相分析結果表明葉片根部主裂紋及附近的平行微裂紋均存在楔形氧化現象，在深度方向上裂紋先沿晶擴展、后穿晶擴展，裂紋的沿晶區即為裂紋源區，穿晶區域為高溫疲勞擴展區。

高溫疲勞是指金屬在高溫及交變應力作用下發生的開裂、斷裂現象，高溫疲勞一般伴隨高溫蠕變、高溫氧化現象。發動機渦輪葉片在氣動載荷、熱載荷、離心力復雜工況的作用下，最大應力點位于葉片根部附近，葉片表面溫度場隨著葉片高度增加呈現出先增大后減小的變化，最高溫度點位于葉片根部附近。葉片根部厚度薄、剛度小，因此渦輪轉子在熱試車過程中的復雜工況下，葉片根部薄壁區首先發生高溫沿晶擇優氧化并伴隨蠕變現象，形成的表面的晶界顯示、沿晶微裂紋和晶面上大量的滑移條帶。沿晶擇優氧化程度主要與工作溫度、環境介質有關，一般而言高溫合金表面沿晶氧化層越深表明工作溫度越高。

從渦輪轉子經歷的試驗及裂紋出現的位置、形態分析結果判斷，渦輪轉子葉片裂紋位于葉片根部薄壁區，裂紋的開裂模式為高溫疲勞開裂，屬低周疲勞，為壽命型失效。試車過程中轉子葉片根部應力集中部位在高溫及交變應力的共同作用下，葉片表面區域發生蠕變，產生滑移，同時表面晶界發生擇優氧化，高溫蠕變和沿晶氧化相互促進，導致葉片根部的晶界弱化開裂，形成了疲勞源區，在后續工作過程中進一步發生高溫疲勞擴展。

3 結論

（1）渦輪轉子葉片裂紋位于葉片根部進出口薄壁區，裂紋的開裂模式為高溫疲勞開裂，屬于低周疲勞。試車過程中轉子葉片根部應力集中部位在高溫及交變應力的交互作用下，葉尖根部應力集中區域發生蠕變和晶界擇優氧化，高溫蠕變和沿晶氧化相互促進，導致葉片根部的晶界弱化開裂，形成了疲勞源區，進而在后續工作過程中發生高溫疲勞擴展。

（2）渦輪轉子所用材料成分未見明顯異常、組織均為奧氏體+碳化物，在材料組織正常的情況下發生高溫疲勞開裂，應改善葉片的熱力載荷工況來保證足夠的疲勞壽命裕度。