某型航空發動機渦輪葉片榫頭表面鋁含量與滲鋁層深度關系研究

■ 桂敏 王華/襄陽航泰動力機器廠

0 引言

航空發動機渦輪葉片表面通常采用滲鋁工藝以獲得較高的抗高溫氧化能力和抗腐蝕能力，為了滿足裝備的使用性能，一般要求對除榫頭以外的葉片表面進行滲鋁。某型航空發動機發生一起渦輪葉片榫頭部位誤滲鋁故障，為了確保使用安全，須返廠排除故障。由于外場使用的該型發動機批次多，涉及榫頭滲鋁的渦輪葉片數量大，而且并不是每一片葉片榫頭都存在滲鋁情況，在制訂返廠檢查處理流程及技術措施時，急需一種判斷渦輪葉片榫頭是否存在滲鋁層的快速、可靠的科學方法。

為此，對榫頭部位可能存在滲鋁層的渦輪葉片進行全面檢查，主要是檢查該型發動機不同使用壽命的渦輪葉片的滲鋁層情況。選取500h以上、400～500h、300～400h三個階段壽命的該型發動機各5臺，用熒光探傷和渦流探傷法檢查全臺200片渦輪葉片榫頭是否存在裂紋；用便攜式光譜儀對全臺葉片進行鋁含量粗測；根據粗測的鋁含量高低排序，按等差數列選取33片渦輪葉片進行能譜儀精測；再從能譜儀精測葉片中選取20片渦輪葉片進行剖切檢查滲鋁層深度。本文基于該型發動機渦輪葉片15臺數據（合計300組數據），分析研究葉片榫頭鋁含量與滲鋁層深度的對應數據，從而確定兩者之間規律。

1 分析方法選取

為了分析葉片滲鋁后鋁含量與滲層深度間關系，采取以下分析方法：通過收集鋁含量與滲層深度的離散數據，進行線性擬合和曲線擬合，找出相應函數的系數，建立函數關系式，分析兩變量之間的關系。

1.1 數據分析原理

線性擬合的原則為線性回歸，擬合方式可分為線性擬合、多元線性擬合。線性回歸是利用線性回歸方程的最小平方函數，對一個或多個自變量和因變量之間的關系進行建模的一種回歸分析。線性回歸可以通過最小二乘法求出其方程，得出y=bx+a的直線。

曲線擬合的原則是選擇適當的曲線類型來擬合離散數據（散點圖），并用擬合的曲線方程分析兩變量間的關系。曲線擬合是用連續曲線近似地刻畫或比擬平面上離散點組所表示的坐標之間的函數關系的一種數據處理方法，是用解析表達式逼近離散數據的一種方法。

通過建立非線性擬合模型f（x，c）（其中c在f中非線性出現），y=f（x，c）反應x與y之間的關系，即“最佳”地逼近或擬合已知數據。選擇參數c，使得模型與散點圖各點的殘差（或離差）的加權平方和為最小，此時求得的曲線為加權最小二乘擬合曲線。這種借助求解非線性方程組或用最優化方法求得所需參數得到擬合曲線的，稱為非線性最小二乘擬合。擬合方式可分為多項式擬合、指數擬合、峰值擬合和反曲（S曲線）擬合、非線性擬合、自定義擬合函數。擬合（包括線性、非線性）的相關系數Adj R-square越接近1，表示相關性越好。

1.2 滲鋁原理介紹

擴散現象是指物質分子從高濃度區域向低濃度區域轉移直到均勻分布的現象，速度與物質的濃度梯度成正比。擴散是由于分子熱運動而產生的質量遷移現象，主要是由密度差引起的。滲鋁時鋁元素通過擴散，自葉片表面向內部滲透時，鋁元素的含量超過基體或相的溶解度，隨著擴散的進行會在葉片表面形成中間相。在Ni、Al合金經反應擴散的滲層組織中不存在兩相混合區，而且在相界面上的濃度是突變的，對應于該相在一定溫度下的極限溶解度。

根據以上擴散理論可以得出：葉片滲鋁過程中鋁含量低于基體的鋁含量時，擴散不存在，滲層深度為0；隨著表面鋁濃度增加，當表面鋁濃度高于基體5.3%～5.9%時，表面鋁向內擴散，滲層深度增加，鋁與基體固溶；表面鋁元素含量繼續增加，當鋁元素的含量超過基體的溶解度時，形成溶解鋁元素更高的Ni3Al相。表面形成穩定Ni3Al相后，鋁含量穩定，鋁向內擴散滲層深度增加；表面Ni3Al相鋁含量不變，隨著滲層深度增加，擴散速度變緩，表面吸附的鋁元素增加卻無法被Ni3Al相溶解，此時形成溶解鋁元素更高的NiAl相。形成NiAl相后滲層深度繼續增加，鋁含量趨于穩定。

1.3 分析方法確定

利用散點圖，觀察樣本分布，再結合反應擴散理論和數理統計方法對數據進行歸納分析。散點圖主要分析無滲鋁層特征和滲鋁層深度及對應鋁含量分布特征。采用8種常用擬合方法，尋找數據特征，其中，S曲線擬合的關系系數最接近1，擬合效果最接近兩變量之間的關系。本文分三種情況（低壓一級渦輪葉片、高壓渦輪葉片、所有葉片），采用S曲線擬合來分析鋁含量與滲層深度的關系。

2 數據分析

通過擬合，得到15臺低壓一級渦輪葉片、高壓渦輪葉片、所有葉片的榫頭部位鋁含量與滲層深度關系擬合圖。

2.1 低壓一級渦輪葉片數據分析

1）數據散點分析

由圖1可知，無滲鋁層鋁含量分布較寬，鋁含量低于特征點1（特征點1鋁含量為15.63%）時，滲層深度為0。絕大多數樣本的鋁含量在18%～27%（滲層深度在0.01～0.03mm），滲鋁層深度與鋁含量線性關系不明顯。

圖1 低壓一級渦輪葉片數據散點圖

2）S曲線擬合分析

S曲線擬合結果反映了低壓一級渦輪葉片鋁含量與滲層深度兩個變量之間的關系趨勢。如表1所示，滲層深度值隨鋁含量增加而增加；鋁含量在20%左右、滲層深度在0.02mm以上，曲線斜率趨近于0，滲鋁層深度與鋁含量不再有明顯遞增關系。

表1 低壓一級渦輪葉片S曲線擬合結果

2.2 高壓渦輪葉片數據分析

1）數據散點分析

由圖2可知，無滲鋁層鋁含量分布較寬，鋁含量小于特征點2（特征點2鋁含量為12%）時，滲層深度為0。其余樣本絕大多數鋁含量在15%～25%（滲層深度在0.01～0.03mm），滲鋁層深度與鋁含量線性關系不明顯。

圖2 高壓渦輪葉片數據散點圖

2）S曲線擬合分析

S曲線擬合結果反映了高壓渦輪葉片鋁含量與滲層深度兩個變量之間的關系趨勢，如表2所示，滲層深度值隨鋁含量增加而增加。

表2 高壓渦輪葉片S曲線擬合結果

2.3 所有葉片數據分析

1）數據散點分析

由圖3可知，鋁含量小于12%時，滲層深度為0。其余絕大多數樣本鋁含量在15%～27%（滲層深度在0.01～0.03mm），滲鋁層深度與鋁含量線性關系不明顯。

圖3 所有葉片數據散點圖

2）S曲線擬合分析

S曲線擬合結果反映了所有渦輪葉片鋁含量與滲層深度兩個變量之間的關系趨勢。如表3所示，滲層深度值隨鋁含量增加而增加；鋁含量在21%左右、滲層深度在0.018mm以上，曲線斜率趨近于0，滲鋁層深度與鋁含量不再有明顯遞增關系。

表3 所有葉片S曲線擬合結果

2.4 數據分析

總結上述分析結果，低壓一級渦輪葉片鋁含量在15.63%以下時，滲層深度為0；高壓渦輪葉片鋁含量在12%以下時，滲層深度為0；所有葉片鋁含量在12%以下時，滲層深度為0。綜合可得，鋁含量低于12%時，滲層深度為0。

上述三種情況的擬合曲線分析結果基本相似，說明鋁含量與滲層深度存在一定規律。

3 結論

綜合分析可得，當鋁含量低于12%時，滲層深度為0；鋁含量在21%左右、滲層深度在0.018mm以上時，曲線斜率趨近于0，滲鋁層深度與鋁含量不再有明顯遞增關系。通過對葉片榫頭鋁含量與滲鋁層深度的關系進行分析，得到了光譜測量葉片鋁含量低于12%時無滲鋁層的結論。后期發動機返廠檢查時，可通過光譜測量葉片榫頭表面鋁含量來判斷葉片榫頭有無滲鋁層，指導制訂返廠檢查處理流程及技術措施。