渦輪導(dǎo)向葉片裂紋失效分析

高 昊

（大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究有限公司，遼寧 大連 116016）

0 引言

鎳基高溫合金具有較高的高溫強度及良好的塑性，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機熱端部件，特別是用于制造渦輪葉片和導(dǎo)向葉片。K417G 合金是一種既可以用于制備渦輪葉片也可以用于制備導(dǎo)向葉片的不含W 和貴金屬元素的低成本合金，其生產(chǎn)的零件通常在鑄態(tài)下使用[1-2]。

鎳基高溫合金鑄件力學(xué)性能在很大程度上受晶粒度[3]和微觀組織的影響。粗晶合金的力學(xué)性能數(shù)據(jù)分散，尤其是低周疲勞性能低。而細(xì)晶合金在中、低溫（＜760 ℃）條件下的低周疲勞壽命顯著提高，鑄件力學(xué)性能數(shù)據(jù)分散度減小[4]。生產(chǎn)過程中通常采用熱控法和化學(xué)法控制晶粒度，熱控法是通過控制合金的澆注溫度限制晶粒長大來獲得細(xì)晶。化學(xué)法是通過加入孕育劑獲得細(xì)小晶粒，化學(xué)法需依賴于較低的澆注溫度。上述兩種方法都容易導(dǎo)致葉片中出現(xiàn)熱裂、欠鑄、冷隔、疏松等缺陷。

某型發(fā)動機低壓渦輪三級導(dǎo)向葉片屬于薄壁長鑄件，在采用精密鑄造工藝生產(chǎn)高溫合金葉片時，由于受合金、工藝等參數(shù)影響，鑄件容易出現(xiàn)裂紋缺陷。該發(fā)動機整機經(jīng)試驗后分解檢查發(fā)現(xiàn)，低壓渦輪三級導(dǎo)向葉片組中一片葉片葉身存在裂紋，本文對該葉片進(jìn)行詳細(xì)分析，確定裂紋性質(zhì)，并提出了改進(jìn)意見。

1 失效分析

1.1 宏觀檢查

故障低壓渦輪三級導(dǎo)向葉片宏觀圖像如圖1 所示，裂紋位于葉片前緣，距緣板下表面約2.5 mm，如圖1 中箭頭所示位置。裂紋已貫穿葉片前緣厚度方向，在葉盆側(cè)及葉背側(cè)長度均約1 mm，如圖2 所示。將表面涂層打磨，在掃描電鏡下放大觀察裂紋，可見裂紋不連續(xù)現(xiàn)象，呈跳躍式擴展，并且主裂紋附近存在小裂紋，如圖3 中箭頭所示。

圖1 故障低壓渦輪導(dǎo)向葉片宏觀圖像

圖2 故障低壓渦輪導(dǎo)向葉片裂紋放大形貌

圖3 故障低壓渦輪導(dǎo)向葉片裂紋局部放大形貌

1.2 斷口分析

將裂紋打開，圖4 為故障葉片裂紋斷口宏觀圖像，斷口表面平坦，呈灰黑色，可見明顯的枝晶形貌特征，未見明顯的機械載荷導(dǎo)致的斷裂特征。

圖4 故障低壓渦輪導(dǎo)向葉片斷口宏觀形貌

在掃描電鏡下對斷口進(jìn)行觀察，斷口表面可見明顯的枝晶形貌，枝晶側(cè)枝不發(fā)達(dá)，放大觀察枝晶外表面呈光滑的“土豆”狀，如圖5 所示，這是枝晶間處于液膜連接時斷口的主要特征，初步判斷該裂紋為鑄造過程中產(chǎn)生的熱裂紋。進(jìn)一步放大觀察，斷口表面被氧化顆粒覆蓋，未見明顯的機械斷裂特征。

圖5 故障低壓渦輪導(dǎo)向葉片斷口放大形貌

對斷口表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖6 及表1 所示，裂紋斷口表面氧化嚴(yán)重，Al、Ti 元素含量明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求，說明正偏析元素Al、Ti 在該斷面產(chǎn)生了偏析。另外，斷口表面Al 元素含量大大超出標(biāo)準(zhǔn)要求，可能是滲鋁硅工藝導(dǎo)致的Al 元素在斷口表面富集，進(jìn)一步說明裂紋出現(xiàn)在滲鋁硅工藝之前。

表1 裂紋斷口表面及人為打開區(qū)能譜分析結(jié)果

圖6 斷口表面能譜分析示意圖

1.3 組織檢查

將斷口拼接后對其截面進(jìn)行組織分析，葉片基體組織由γ 固溶體基體、γ'析出相及富Ti 和Mo 的碳化物組成，如圖7 所示。而在裂紋部位組織存在大量（γ+γ'）共晶相，并且可見向基體內(nèi)部擴展的微裂紋，如圖8 所示。

圖7 葉片基體組織形貌

圖8 裂紋一側(cè)組織形貌

裂紋部位組織存在大量（γ+γ'）共晶相是因為合金以枝晶凝固時，由于Al、Ti 等正偏析元素由固液界面前端排出，偏聚于枝晶間，這些元素在枝晶間最后凝固的殘余液相中會達(dá)到較高的含量，當(dāng)成分到達(dá)共晶點時，產(chǎn)生粗大的共晶組織，即共晶的產(chǎn)生主要來源于合金元素的偏析。

2 分析與討論

經(jīng)失效分析結(jié)果表明，導(dǎo)向葉片葉身裂紋呈以下特征：裂紋不連續(xù)，呈跳躍式擴展；斷口表面可見明顯的枝晶形貌，枝晶側(cè)枝不發(fā)達(dá)，放大觀察枝晶外表面呈光滑的“土豆”狀，這是枝晶間處于液膜連接時斷口的主要特征；裂紋部位組織存在大量（γ+γ'））共晶相。上述特征表明故障低壓渦輪三級導(dǎo)向葉片葉身裂紋為鑄造熱裂紋。

合金凝固過程中，在低于合金液相線30～50 ℃溫度范圍內(nèi)，枝晶很快就形成彼此交連的骨架，這時鑄件整體上已具有固體性質(zhì)。僅在枝晶間存在少量液體。當(dāng)這種剛性連接的枝晶骨架進(jìn)一步降溫時發(fā)生線收縮，如果因某種原因使得線收縮受阻，則在鑄件內(nèi)部可能產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過了該合金在該溫度的強度極限時就會產(chǎn)生熱裂。

K417G合金的固-液溫度范圍為1286～1342℃[5]，Δtl-s=56 ℃，可見該合金結(jié)晶溫度區(qū)間較小，鑄造性能較好。但是高溫合金中作為沉淀強化元素的Ti，同時由于它屬強正偏析元素[6]，在合金凝固過程中，富集于液-固界面的液相部分，因此對合金凝固特性影響很大。另外，Ti 在基體Ni 中的熔點（1 672 ℃）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于沉淀強化元素Al 的熔點（660 ℃），因而致使合金具有較高的有效結(jié)晶溫度上限，這就決定了合金凝固時所形成的枝晶骨架堵塞了合金液的補縮通道。有關(guān)資料指出[7]，當(dāng)Ti 在合金中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1%后，將明顯增大有效結(jié)晶溫度區(qū)間，惡化合金的流動性，是導(dǎo)致鑄件熱裂與疏松不可忽視的因素之一。

在導(dǎo)向葉片的凝固過程中，澆注速度快，凝固時間短，枝晶很快就形成彼此交連的骨架，僅在枝晶間存在少量液體，無法對凝固前沿進(jìn)行有效補縮，并且導(dǎo)向葉片葉身與緣板轉(zhuǎn)接R 處受到型殼對合金收縮的阻礙，使其成為整個葉片凝固過程中鑄造應(yīng)力最大的部位，也是最容易出現(xiàn)鑄造熱裂紋的部位。此外，斷口表面能譜分析結(jié)果表明，裂紋部位Ti 元素存在偏析，使該部位結(jié)晶溫度區(qū)間增大，也是葉身與緣板轉(zhuǎn)接R 處形成熱裂紋的主要影響因素。

3 改進(jìn)建議

1）對于薄壁長零件導(dǎo)向葉片，要求較高的澆注溫度，使凝固速率緩慢均勻，從而減少熱裂傾向。

2）在造型材料上應(yīng)選擇具有良好高溫退讓性的造型材料。

4 結(jié)論

1）某型發(fā)動機低壓渦輪三級導(dǎo)向葉片葉身裂紋為鑄造熱裂紋。

2）導(dǎo)向葉片葉身與緣板轉(zhuǎn)接R 處冷卻條件差，并且受到型殼對合金收縮的阻礙是形成熱裂紋的主要原因。

3）正偏析元素Ti 使裂紋部位結(jié)晶溫度區(qū)間增大，促進(jìn)了熱裂紋的形成。