某型發動機渦輪盤超溫無損分析方法研究

胡桂英 李俊杰 李麗 余曉東

摘要：從分析某型發動機渦輪盤材料性能入手，制定了“超溫”判斷標準圖譜，根據該渦輪盤與該渦輪葉片的相互關系，找到了用無損分析法進行渦輪盤超溫分析的方法。

關鍵詞：渦輪盤；超溫；顏色-溫度對照圖

Keywords：turbine disk；overtemperature；color-temperature contrast diagram

0 引言

航空發動機在裝機飛行或地面試車過程中難免出現故障，發動機“超溫”就是其中的多發故障之一。發動機出現“超溫”故障后，首先應分析渦輪葉片、渦輪盤是否經歷“超溫”。所謂“超溫”，就是發動機的“T4”（渦輪排氣溫度）溫度超過其規定溫度（700℃）。“超溫”分析就是分析故障件組織是否出現了晶界弱化或析出的第二相發生了回溶現象。發動機渦輪盤超溫分析也是渦輪盤金相組織的分析。渦輪盤是發動機的關鍵重要件，制造工藝復雜，價格昂貴，不允許破壞，常規的金相組織分析需要從渦輪盤上切取一段試樣，但切取試樣后的渦輪盤遭到了破壞，只能全盤報廢，這樣的超溫分析沒有意義；采用復型法制取試樣，也需要在渦輪盤上進行磨拋和腐蝕，這樣的操作對渦輪盤的損傷也是致命的。為了解決這一難題，對該型發動機某級渦輪葉片及某級渦輪盤進行研究，進行大量試驗，最終找到了采用無損分析法進行渦輪盤超溫組織分析的方法。

1 零件材料性能的研究

1.1 某級渦輪葉片材料性能

某級渦輪葉片材料牌號為K417，是一種低密度、高強度的鎳基鑄造高溫合金，在鑄態下使用。合金組織結構：γ′相為強化相，約占67%，共晶相γ+γ′約占3%～5%，還有約2%的TiC相。在超過750℃～1000℃長期時效中，TiC逐漸分解，析出M23C6；1180℃時γ′相開始回溶變圓長大，1220℃左右共晶相γ+γ′開始初溶；當γ′相變圓或長大時，視為葉片經歷了超溫。

1.2 某級渦輪盤材料性能

某級渦輪盤材料牌號為GH4133，是在GH4033合金基礎上進一步合金化，適當提高強化元素鋁、鈦含量，添加難溶金屬鈮發展而成的鎳-鉻固溶體為基，γ′為主要強化相的時效硬化型合金。鍛造毛坯加工，熱處理后使用。合金組織結構：經標準熱處理后的組織由γ相、約占14%～15%γ′相、MC和M23C6組成。γ′相于900℃開始回溶，1010℃完成溶解。M23C6于950℃開始回溶，1010℃完成溶解。當渦輪盤中出現γ′相回溶現象時視為葉片經歷了超溫。

2 某級渦輪盤無損法分析超溫試驗方案的制定

2.1 用顏色深淺判斷渦輪盤是否經歷超溫的依據

由于空氣中氧氣的作用，在經歷高溫環境時，同一材料或同種材料所加工的零件表面的氧化色與以下幾個因素有關：

1）溫度：時間、加熱、冷卻介質相同，所經歷的溫度越高，表面氧化越嚴重，顏色越深；

2）時間：溫度、加熱、冷卻介質相同，時間越長，表面氧化越嚴重，顏色越深；

3）加熱、冷卻介質：時間、溫度相同，加熱、冷卻介質氧化性越強，表面氧化越嚴重，顏色越深；

4）冷卻速度：溫度、時間、加熱、冷卻介質相同，冷速越慢，在高溫時間段停留時間越長，表面氧化越嚴重，顏色越深；

5）其他因素：當加熱、冷卻介質中有特殊物質如碳、硫等，在其他條件完全相同的情況下，富含碳的比普通情況顏色相對深一些。

以上幾種因素中，溫度和時間是關鍵影響因素。因為溫度越高，元素活性越高，越容易與氧結合而氧化；高溫經歷時間越長，就是氧化時間越長，氧化也就越嚴重；對于渦輪盤來說，加熱介質是燃氣，冷卻介質介于燃氣和空氣之間，與以空氣為加熱介質相比，最大的區別是空氣中不富含碳、硫等元素，這些元素更易使零件表面顏色變深；燃氣的溫度比室溫高得多，在燃氣中冷卻比空冷時材料表面的氧化程度要嚴重一些，因此在燃氣中冷卻其表面顏色更深一些。綜合起來，若采用與渦輪盤熱處理狀態相同的材料做成試樣，在空氣爐中加熱，采用空冷方式，經歷同樣高的溫度，在高溫經歷時間相差不大的情況下，渦輪盤的表面氧化應更加嚴重，顏色更深，因此，在掌握GH4133在空氣爐中加熱表面顏色隨溫度的升高的變化規律，就可以有條件地用于判斷渦輪盤是否經歷了超溫，并根據其顏色變化規律來判斷其經歷的溫度。

2.2 試驗材料及方法

1）試驗材料

將GH4133合金熱處理成與渦輪盤相同狀態后，切成100mm×60mm×10mm的塊狀試樣，所有表面去除氧化皮并精磨，表面粗糙度不大于0.8μm；試樣數量為36件，分為6組，每組6件。

2）熱處理方法

將試樣置于SX2-12-12箱式電阻爐中加熱，具體熱處理制度如下：

第1組：550℃，10min，空冷；第2組：650℃，10min，空冷；第3組：750℃，10min，空冷；第4組：850℃，10min，空冷；第5組：950℃，10min，空冷；第6組：1080℃，10min，空冷。

其中1、2、3組為正常模擬試驗，4、5、6組為超溫模擬試驗。

3）表面氧化顏色采集

在自然光下（無陽光），試樣放在白紙上，攝影架固定索尼數碼相機、固定角度、距離，自動調焦拍攝成像，每一試樣采集6次以上，選用與試樣顏色最相近的一張作為最終相片。

2.3 GH4133合金表面氧化變化規律

目視觀察，經歷550℃高溫的試樣，表面顏色淺，呈鐵紅色，有明顯的金屬光澤；650℃試樣表面呈淺天藍色，有金屬光澤；750℃試樣表面呈灰黑色，略顯金屬光澤；850℃試樣表面呈灰亮色，金屬光澤已消失；950℃試樣呈灰藍色，無金屬光澤；1080℃試樣表面呈藍灰色，表面有明顯的氧化皮。

從以上顏色變化趨勢可以看出，試樣表面的顏色變化規律為：隨著溫度的升高，試樣表面顏色由淺變深，由鐵紅變灰，超過一定溫度時，表面有藍色氧化皮出現；由有金屬光澤變為完全無金屬光澤。

2.4 標準圖譜的建立

根據以上顏色隨經歷溫度升高的變化規律建立一套圖譜，用于指導分析判斷渦輪盤是否經歷超溫。建立方式為：將試樣圖片進行對比，各挑出最好的1件作為標準件，其結果如圖1～6圖所示。

3 標準圖譜的使用方法

采用對比法檢查渦輪盤是否經歷超溫。將渦輪盤表面的實際顏色與標準圖片（圖1～圖6，每一圖均表示某一特定溫度的顏色）進行對比，與渦輪盤顏色最接近的圖片所對應的溫度即表示該渦輪盤的工作溫度。渦輪盤顏色深度淺于圖3的為不過熱（圖1～圖3所示），深度超過者的為過熱（圖4～圖6所示）。

4 標準圖譜使用的條件

對照標準圖譜，根據渦輪盤表面的顏色判斷其是否經歷了超溫，可節約大量成本，在實際運用中是很有價值的。英美等發達國家對此已有研究，制定了多種合金顏色-溫度對照圖譜，可指導工程實踐。

但是，由于溫色比對受人為因素影響較大，國內在應用溫色比對方面一直沒有形成材料表面氧化色與加熱溫度和時間對應的規范圖片，具體應用時只能作為估計構件受熱溫度的輔助參考，作為唯一直接依據由此來判斷渦輪盤是否經歷超溫還是有局限性的。此外，對試樣表面顏色的采集，也會受人為因素、設備因素影響。

5 結束語

顏色變化試樣、圖譜是人為制成的，試驗方案是理想狀態的，渦輪盤的實際經歷遠比試樣復雜得多。因此，分析渦輪盤是否經歷了超溫，還應盡可能地分析渦輪盤自身組織情況，以及與其相連結構件的組織情況，這些因素組合在一起才可作為判斷渦輪盤是否經歷了超溫的重要依據。

渦輪部件的工作溫度最高點在渦輪葉片進氣邊距葉冠1/3處，最低點在榫頭處，榫頭與渦輪盤連接，因此連接處的溫度是整個渦輪盤的最高工作溫度點；雖然K417的γ′相開始回溶點高于GH4133，但渦輪盤與葉片相比尺寸大得多，一般可以用同級渦輪葉片榫頭是否經歷超溫來輔助判斷渦輪盤是否經歷了超溫。

參考文獻

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