某型發動機渦輪導向器葉片失效分析及對策

■ 郭連平 韓振超 陳凌瀚 袁子為 唐忠彪 顏超然/成都航利（集團）實業有限公司 駐成都地區第二軍事代表室

0 引言

某型發動機渦輪導向器葉片由K417G精密鑄造而成，該葉片服役一個周期后進入工廠大修分解時發現葉片表面鼓包、葉身穿透性裂紋等故障。對葉片進行全身目視檢查，發現葉片內腔存在大量氧化皮，部件氧化皮已完全脫落，局部氧化皮與葉片內腔粘連在一起，與正常服役后的葉片差別明顯，且隨著進廠發動機數量的增加，該類故障葉片呈數量級增加，有必要對該類故障進行失效分析并加以改進。

1 故障統計

隨機挑選三件壽命不同的葉片進行解剖分析，檢查葉片內壁情況，如圖1所示。從圖中可以看出，葉片內腔氧化嚴重，內腔表面氧化層厚度厚，氧化后的部位比正常部位明顯高出，氧化層脫落的部位剩余基體厚度明顯減薄。

圖1 故障葉片內腔腐蝕形貌

2 故障分析

2.1 葉片壁厚測量

對內腔腐蝕的葉片進行干吹砂，去除表面熱障涂層后，按工藝要求用超聲波測厚儀進行壁厚測量，測量結果如表1所示。從表1可知，雖然該葉片內腔腐蝕嚴重并且脫落，但壁厚仍在工藝合格范圍值內，無法在葉片修理過程中采用超聲波測厚法進行葉片故障判斷。

表1 葉片壁厚測量值

2.2 葉片X光檢查

對故障葉片和新品葉片進行X光探傷，檢查結果如圖2所示。新品葉片的X光底片整體顏色均勻，無雜色；由于裂紋缺陷以及氧化后基體密度變化，故障葉片X光底片上可以明顯看出裂紋和氧化嚴重區域（藍圈處）。

圖2 葉片X光底片圖

2.3 成分分析

對故障葉片進行金相取樣，切取氧化掉塊部位的顯微組織，如圖3所示。從中可以看出，內腔氧化后，氧化層疏松極易脫落掉皮，氧化層厚度大約1.4mm。對故障葉片進行EDS能譜分析，分析結果如表2所示。通過對比氧化層和母材K417G能譜，氧化層的Ni、Al、Ti、Mo等主要元素損耗嚴重，氧含量高達18%。

表2 能譜分析

圖3 故障葉片金相圖

2.4 氧化深度分析

圖紙要求葉片壁厚為1.0+0.5-0.3mm，每個葉身最多允許2處測量點，最小壁厚為0.6mm。圖4所示為故障件A的葉片氧化層深度微觀組織，從圖4a）中可以看出，氧化層厚度約88μm，剩余母材厚度為560μm，剩余母材厚度已不符合圖紙要求；從圖4b）中可以看出，氧化層厚度約325μm，剩余母材厚度為480μm，剩余母材厚度已不符合圖紙要求。圖5所示為故障件B的葉片氧化層深度微觀組織，從圖5a）中可以看出，氧化層厚度約396μm，剩余母材厚度為801μm；從圖5b）中可以看出，剩余母材厚度為756μm。選取部位的剩余壁厚已不符合圖紙壁厚要求，其中剩余壁厚符合要求的葉片如在后期使用過程中繼續氧化，可能導致壁厚不符合要求。

圖4 故障件A的金相分析

圖5 故障件B的金相分析

2.5 微觀組織分析

對故障件葉片進行掃描電鏡分析，如圖6所示，從中可以看出，內腔氧化后的葉片γ’相變得粗大且筏化，局部組織已退化。

圖6 內腔葉片微觀組織

3 原因分析

針對葉片內腔腐蝕減薄現象進行原因排查。

由于葉片為單通道結構，冷卻氣體進入葉片內腔后在內腔中聚集，無法排除。葉片服役時，由于葉片間隙等原因，流道面的燃氣可能滲入非流道面中。

經查，國內航空煤油的硫含量低時為20ppm，高時為200ppm，平均為173ppm，因此燃氣中的硫可能在葉片內腔聚集。

查閱相關文獻資料報道，研究表明硫偏聚對高溫合金的影響很大。當硫含量很低（10-6量級，ppm）時有很強的表面偏聚性，如含量達到50ppm的鎳鉻鋁合金在真空爐中高溫退火時，表面硫含量的原子含量可達20%，將引發氧化膜的嚴重脫落。

燃氣中的硫在葉片內腔聚集無法逃離，隨著長時間處于高溫環境，將引起硫偏聚，從而引發高溫合金快速氧化，最終導致氧化脫落。因此，認為該葉片是由于硫的偏聚而導致內腔氧化掉皮。

4 應對措施

該葉片材料為K417G鎳基高溫合金，可通過氣相滲鋁在葉片內腔涂覆一層滲鋁防護涂層，以防止葉片內腔高溫氧化腐蝕。K417G作為國內成熟應用的鎳基高溫合金，具備良好的葉片涂層研制基礎和成熟工藝，制備葉片內腔涂層防護將能夠有效改善葉片的服役性能，提高葉片的安全可靠性。