基于中子衍射技術(shù)的渦輪后機(jī)匣內(nèi)部殘余應(yīng)力評(píng)估

王宇，耿長(zhǎng)建，由寶財(cái)，師俊東，王剛

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

渦輪后機(jī)匣是發(fā)動(dòng)機(jī)承力系統(tǒng)的一部分，用于支撐低壓轉(zhuǎn)子并連接低壓渦輪和尾噴管，構(gòu)成氣流通道的重要部分。后機(jī)匣為整體鑄造成型，內(nèi)環(huán)與外機(jī)匣徑向跨度大，在承受軸向力的同時(shí)還需滿足熱變形協(xié)調(diào)性和剛性的要求，一旦承力框架上產(chǎn)生裂紋，將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作安全性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在工作載荷和殘余應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的應(yīng)力集中是導(dǎo)致渦輪后機(jī)匣裂紋失效的主要原因。殘余應(yīng)力是指在沒(méi)有外加載荷和力矩的作用下，材料自身為保持平衡而存在的彈性應(yīng)力。目前，工程上使用的殘余應(yīng)力測(cè)量和評(píng)估方法主要有X衍射法、小孔法、散斑法、磁測(cè)法、超聲波法、中子衍射法等。其中，中子衍射法可以提供從表層以下100μm到幾厘米深度的應(yīng)力應(yīng)變信息而被廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)80年代，Liu等在反應(yīng)堆中子源上開(kāi)展了金屬材料織構(gòu)與殘余應(yīng)力測(cè)量研究，同時(shí)建立了專門應(yīng)力測(cè)量裝置；Coakley等利用散裂中子源VULCAN譜儀原位表征了鎳基單晶高溫合金CMSX-4的筏化；Huang等應(yīng)用中子衍射技術(shù)精確測(cè)定了René N4/N5、CMSX-4和PWA1484單晶高溫合金在不同溫度下/′錯(cuò)配度；Preuss M等利用散裂中子源工程譜儀ENGIN-X原位揭示了鎳基高溫合金RR1000中相向′相載荷傳遞時(shí)對(duì)析出相尺寸/溫度的雙重依賴性；Rolph等利用德國(guó)FRM II中子源STRESSSPEC譜儀研究了不同方法獲得的值對(duì)熱處理后鎳基高溫合金RR1000殘余應(yīng)力的影響；Aba-Perea等利用中子衍射原位追蹤了Inconel 718合金在不同溫度時(shí)效/退火過(guò)程中殘余應(yīng)力的演化；Pierret等利用ENGIN-X譜儀及瑞士散裂中子源的NEUTRA譜儀獲得了鎳基高溫合金單晶渦輪葉片3個(gè)近似主應(yīng)力方向的殘余應(yīng)變分布；Tan等對(duì)激光噴丸后的鎳基高溫合金的表面殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究；Zhang等利用綿陽(yáng)堆中子應(yīng)力分析譜儀研究了新型鎳基合金粉末渦輪盤在熱形變和熱處理過(guò)程中的3維殘余應(yīng)力場(chǎng)演化；Wu等利用中子衍射技術(shù)對(duì)單晶高溫合金的晶格畸變、錯(cuò)配度和取向差等進(jìn)行了表征。

本文利用中子衍射技術(shù)在中國(guó)首次開(kāi)展了某航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后機(jī)匣殘余應(yīng)力測(cè)試分析。

1 渦輪后機(jī)匣內(nèi)部殘余應(yīng)力測(cè)試

中子衍射應(yīng)力譜儀如圖1所示。

圖1 中子衍射應(yīng)力譜儀

該中子應(yīng)力分析譜儀是中國(guó)惟一常態(tài)化運(yùn)行的反應(yīng)堆中子應(yīng)力譜儀。其主要性能參數(shù)十分突出，集中表現(xiàn)在：

（1）試驗(yàn)可用中子波長(zhǎng)在0.12～0.28 nm之間連續(xù)可選，以適應(yīng)不同的測(cè)量對(duì)象；

（2）譜儀分辨率高，最佳分辨率Δ/達(dá)到0.18%，應(yīng)變分辨Δ=±5×10；

（3）譜儀裝置樣品處最大中子注量率達(dá)到4.7×10n·cms；

（4）裝置具備大樣品承載能力，水平方向可實(shí)現(xiàn)的承載空間達(dá)到1000 mm×1500 mm，承載質(zhì)量達(dá)到500 kg。

中子衍射技術(shù)與X射線、小孔法等其它殘余應(yīng)力測(cè)試分析技術(shù)的對(duì)比如圖2所示。

圖2 中子衍射技術(shù)與其它殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)對(duì)比

中子衍射測(cè)量應(yīng)力基本原理是通過(guò)測(cè)量晶面間距的變化來(lái)計(jì)算彈性應(yīng)變，從而計(jì)算出應(yīng)力場(chǎng)。當(dāng)波長(zhǎng)為的單能中子束通過(guò)多晶材料樣品時(shí)，對(duì)應(yīng)晶面間距在滿足布拉格關(guān)系（=2sin）的位置出現(xiàn)衍射峰，通過(guò)測(cè)量晶面間距的改變-得到彈性應(yīng)變，然后根據(jù)應(yīng)變計(jì)算應(yīng)力。應(yīng)變與應(yīng)力為

式中：為原始晶面間距；為衍射角；Δ為衍射角變化值；σ為方向應(yīng)力；E為彈性模量；ε、ε、ε分別為、、方向應(yīng)變；為常數(shù)。

中子測(cè)量的待測(cè)體積是由1個(gè)衍射狹縫和入射狹縫相交的空間區(qū)域決定的。直接測(cè)量的平均體應(yīng)力易與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。通過(guò)平移和轉(zhuǎn)動(dòng)待測(cè)部件，使中子束中心與部件待測(cè)位置重合，得到不同位置的正應(yīng)變，并據(jù)此計(jì)算相應(yīng)位置的3向應(yīng)力。

后機(jī)匣的殘余應(yīng)力測(cè)試與其他常規(guī)工件殘相比有很大難度，一方面因機(jī)匣的體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，另一方面因K4169合金存在粗晶現(xiàn)象。上述困難的存在使得某些位置只能測(cè)試特定方向的晶面間距，且由于組織的不均勻性（部分位置大晶粒的存在）以及可能存在的成分偏析，造成不同部位的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)晶面間距不同。因此不能使用統(tǒng)一的無(wú)應(yīng)力標(biāo)樣作為的測(cè)試標(biāo)樣，必須在機(jī)匣原件選定的位置測(cè)試完成之后，將其切割釋放應(yīng)力后重新定位，準(zhǔn)確尋回初始測(cè)試的位置進(jìn)行的標(biāo)定。

中子衍射測(cè)試殘余應(yīng)力方法如下：選定待測(cè)區(qū)域和待測(cè)晶面（311），規(guī)劃樣品的擺放以及衍射矢量方向；將機(jī)匣放置于測(cè)試臺(tái)面上并固定牢靠；通過(guò)調(diào)節(jié)樣品臺(tái)的//軸位移及樣品臺(tái)轉(zhuǎn)角，依靠經(jīng)緯儀與垂直激光或者鉛錘，將機(jī)匣待測(cè)位置大致定位；通過(guò)中子束掃邊準(zhǔn)確定位衍射位置，選定位置后進(jìn)行測(cè)試，獲得不同位置的晶面間距；將機(jī)匣切割，釋放應(yīng)力后重新通過(guò)上述方法定位，測(cè)試相同位置的殘余應(yīng)力。

通過(guò)對(duì)設(shè)備的精準(zhǔn)調(diào)試和專用工裝的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了K4169合金應(yīng)力測(cè)量精度≤20 MPa，最短單點(diǎn)測(cè)量時(shí)間≤5 min，1維空間分辨率≤1 mm。建立了高溫合金部件表層應(yīng)力梯度的中子測(cè)量與解析方法，限定入射束尺寸（沿深度方向?yàn)?.2 mm，另一方向?yàn)? mm），沿深度方向以0.05 mm的步長(zhǎng)掃描，利用近表面處衍射強(qiáng)度與質(zhì)心的關(guān)系對(duì)衍射信息進(jìn)行矯正，實(shí)現(xiàn)了具有0.1 mm 1維空間分辨率的應(yīng)力表征。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

機(jī)匣原件與應(yīng)力釋放后的（311）晶面的2維面探原始數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。從圖中可見(jiàn)，機(jī)匣中有大晶粒存在，形成了白亮的衍射斑點(diǎn)。圖3中第1行是機(jī)匣原件測(cè)試結(jié)果，第2、3行則為應(yīng)力釋放后的測(cè)試結(jié)果。通過(guò)大晶粒的對(duì)比可見(jiàn)（尤其是位置4和位置9），在應(yīng)力釋放后重新定位可以準(zhǔn)確得到原件測(cè)試位置，說(shuō)明該方法定位非常準(zhǔn)確。

圖3 機(jī)匣原件與應(yīng)力釋放后的（311）晶面的2維面探原始數(shù)據(jù)

此外，以第1點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，將各點(diǎn)的衍射角度、衍射強(qiáng)度、半高寬相對(duì)各點(diǎn)的位置作圖，（如圖4所示）。從圖中可見(jiàn)，機(jī)匣原件與切割釋放應(yīng)力重新定位后的衍射角度、衍射強(qiáng)度、半高寬的變化趨勢(shì)符合性很好，同理驗(yàn)證了定位的準(zhǔn)確性。

圖4 不同位置測(cè)試點(diǎn)的衍射角度、衍射強(qiáng)度、衍射峰半高寬

根據(jù)各點(diǎn)的衍射角度，利用布拉格方程計(jì)算出（311）晶面的晶面間距，結(jié)果如圖5所示。整體看來(lái)，在切割釋放應(yīng)力后，晶面間距減小，即＞，說(shuō)明在衍射矢量方向上原件機(jī)匣存在拉應(yīng)變。較多的測(cè)試點(diǎn)能夠保證較好的統(tǒng)計(jì)性，可以用平均晶面間距來(lái)進(jìn)行分析，計(jì)算出釋放應(yīng)力后平均晶面間距為=1.0855 ?，機(jī)匣原件的平均晶面間距為=1.0864?，該方向的平均應(yīng)變約為800個(gè)微應(yīng)變。各測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖5 各測(cè)試點(diǎn)的晶面間距計(jì)算結(jié)果

圖6 各測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

由于機(jī)匣體積大形狀復(fù)雜的原因，很難測(cè)試到主應(yīng)力（周向）方向，只能通過(guò)主應(yīng)力方向的泊松效應(yīng)即衍射矢量方向的拉應(yīng)變推算出主應(yīng)力（周向）方向受到壓應(yīng)力作用，其壓應(yīng)力大小為=-/，其中為材料的泊松比，為彈性模量。由于機(jī)匣中含有大晶粒，在定位過(guò)程中，角度上的微小偏差就會(huì)導(dǎo)致大晶粒的衍射峰位偏移，會(huì)與由殘余應(yīng)力產(chǎn)生的衍射峰位偏移疊加，這就是鑄態(tài)試樣測(cè)試定位要求非常準(zhǔn)確的原因。盡管在測(cè)試過(guò)程中盡量保證了定位的準(zhǔn)確性，按照一般的應(yīng)力分析方法將大晶粒部分與細(xì)晶部分不加區(qū)分得出的結(jié)果（圖6）還是有一定的偏差。為了得出更準(zhǔn)確的結(jié)果，將各點(diǎn)的細(xì)晶部分與大晶粒部分單獨(dú)計(jì)算，或者將只有背底噪聲信號(hào)的部分刪除后重新處理，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果的性質(zhì)、衍射角、晶面間距及應(yīng)力應(yīng)變分析

計(jì)算出各點(diǎn)的殘余應(yīng)變和周向殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別如圖7、8所示。結(jié)果表明，機(jī)匣存在平均300 MPa的周向壓應(yīng)力。

圖7 各測(cè)試點(diǎn)殘余應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

圖8 各測(cè)試點(diǎn)周向殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在切割機(jī)匣過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，軸上存在較大的拉應(yīng)力，因此在支板上選取了6個(gè)點(diǎn)測(cè)試了晶面間距，機(jī)匣切割部分測(cè)試定位如圖9所示。

圖9 機(jī)匣切割部分測(cè)試定位

軸上各測(cè)試點(diǎn)衍射花樣如圖10所示。從圖中可見(jiàn)，此處有大晶粒存在。各測(cè)試點(diǎn)晶面間距計(jì)算結(jié)果如圖11所示。若不考慮成分偏析，且以在機(jī)匣外殼上進(jìn)行的中子測(cè)試的平均晶面間距作為，可見(jiàn)支板上的晶面間距均值偏小，即測(cè)試方向產(chǎn)生的是壓應(yīng)變。根據(jù)泊松效應(yīng)原理，假設(shè)主應(yīng)力方向?yàn)閺较颍▓D8），計(jì)算出該方向受到400～500 MPa的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力在一定程度上加速了后機(jī)匣支板裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。

圖10 軸上各測(cè)試點(diǎn)衍射花樣

圖11 各測(cè)試點(diǎn)晶面間距計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

（1）實(shí)現(xiàn)了渦輪后機(jī)匣K4169合金應(yīng)力測(cè)量精度≤20 MPa，最短單點(diǎn)測(cè)量時(shí)間≤5 min，1維空間分辨率≤1 mm；

（2）建立了K4169合金部件表層應(yīng)力梯度的中子測(cè)量與解析方法，限定入射束尺寸（沿深度方向?yàn)?.2 mm，另一方向?yàn)? mm），沿深度方向以0.05 mm的步長(zhǎng)掃描；

（3）利用近表面處衍射強(qiáng)度與質(zhì)心的關(guān)系對(duì)衍射信息進(jìn)行矯正，實(shí)現(xiàn)了具有0.1 mm的1維空間分辨率的應(yīng)力表征能力；

（4）渦輪后機(jī)匣基體存在粗大晶粒組織，裂紋故障與粗晶/細(xì)晶組織殘余應(yīng)力分布差異有一定關(guān)系；

（5）后機(jī)匣外殼存在平均300 MPa的周向壓應(yīng)力，后機(jī)匣支板存在400～500 MPa的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力在一定程度上加速了后機(jī)匣支板裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。